SnAgCu无铅焊膏用活性剂的优化研究

＊刘旭东 穆荻 孙旭东

（大连大学环境与化学工程学院 辽宁 116622）

1.引言

随着社会的发展，无铅焊膏逐渐运用在电子元器件、工业等各个领域，是表面组装回流焊工艺必需的材料，焊膏的质量好坏直接关系到表面组装元器件的品质，因此受到人们广泛的重视[1-2]。

活性剂种类很多，但针对无铅焊膏助焊剂中活性剂成分的研究鲜见报道[3-4]。本文选用柠檬酸、苹果酸、丁二酸、乳酸、硬脂酸等5种活性剂配制SnAgCu焊膏，用回流焊接实验优选性能较好的活性剂种类，并对活性剂的复配进行了正交试验优化研究。

2.实验

(1)仪器与材料

仪器：KSL-1100X箱式电阻炉、X962AF八段回流焊机、DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器、JY-PH型接触角测定仪等；

材料：Sn-Ag-Cu钎料、TU1无氧紫铜板；

主要试剂：柠檬酸、苹果酸、丁二酸、乳酸、硬脂酸、己二酸、水杨酸等均为化学纯。

(2)实验过程

①单一活性剂的优选

表1 助焊剂成分组成

将所选的5种活性剂的每一种按表1的成分要求配成助焊剂，再将该助焊剂分别以15:85的质量比与Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅焊锡粉配成5种焊膏，在回流焊机中进行焊接实验[5-7]。在此基础上，用三种表现较好的活性剂，进行正交试验从而确定最佳的活性剂比例。

②助焊剂接触角性能测试

实验选用TU1无氧紫铜板作为基板。该基板表面光滑，规格为20mm×20mm×2mm，用砂纸进行打磨去除表面氧化膜，分别用丙酮和无水乙醇超声波清洗5分钟。选取常用五种有机酸，按照表1配成助焊剂。实验在JY-PH型接触角测定仪上进行，用PHS-3C型pH数字酸度计测试溶液pH值。

③复配活性剂的优选

根据单一活性剂的接触角测试，选择三种性能较好的活性剂，进行组合方法，再按照表1配成助焊剂，备用。实验在JY-PH型接触角测定仪上进行，用PHS-3C型pH数字酸度计测试溶液pH值。

3.结果与分析

(1)助焊剂接触角对焊膏助焊性能的影响

图1 接触角测量示意图

液体在固体材料表面上的接触角，是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数。由图1可知：若θ＜90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好；若θ＞90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。由θ可以预测如下几种润湿情况：①当θ=0，完全润湿；②当θ＜90°，部分润湿或润湿；③当θ=90°，是润湿与否的分界线；④当θ＞90°，不润湿；⑤当θ=180°，完全不润湿。

表2为5种活性剂的左切线角测试结果，由于焊膏需要良好的铺展率，接触角θ值越小越好。因此，丁二酸、苹果酸、硬脂酸的铺展性能更加良好。

表2 5种活性剂接触角

(2)复配活性剂对焊膏助焊性能的影响

通过组合方法，将三种活性剂，丁二酸、苹果酸、硬脂酸进行组合分配，得到丁二酸、苹果酸、硬脂酸比例为2:2:6、8:1:1、6:2:2、4:2:4时接触角较小。

表3 组合后接触角

图2 单一活性剂焊点在铜基板的显微镜图

在回流焊过程中，焊锡球也会在元件周围飞溅。在图2中可以看出，丁二酸、苹果酸、硬脂酸焊点圆润饱满，而柠檬酸出现了很大的空隙，对铜基板的润湿性很差，未与基板完全润湿，乳酸腐蚀铜基板较为严重，焊点周边出现有色阴影，并且出现发黑，不光泽，由于相对于焊点的体积而言，被丁二酸、苹果酸、硬脂酸三种活性剂包围的面积相对较小，焊点的结合强度略有增加，所以将丁二酸、苹果酸、硬脂酸进行组合，形成助焊剂。

图3 复配活性剂焊点在铜基板的显微镜图

图3中的（1）-（12）号为复配活性剂的助焊剂焊点，在加热条件下，焊点失效一般发生在焊料内部，因此对焊料的微观结构特征更为敏感，而焊料的微观结构特征又受到条件的显著影响。从图中可以看出来，（7）号焊点圆润饱满，铺展性能良好，并且没有腐蚀铜基板斑点，表面光滑，并且也无回缩现象。

图4 （7）号焊点的微观结构SEM图

从图4中可以看出，Sn-Ag-Cu钎料与助焊剂混合均匀，助焊剂缩小了钎料分子间的距离，一般来说，由于粒子间的相互作用，如范德华引力，而钎料中的粒子有形成聚集体的趋势，加入助焊剂后，减缓了团聚体的形成，并且加强了焊膏的流变性与铺展性。

4.结论

对所制备的助焊剂进行接触角及pH的测试，筛选出丁二酸、苹果酸、硬脂酸等活性剂进行组合，并且制备助焊剂及焊膏，在回流焊机中进行焊接实验，对焊后进行显微镜和SEM拍摄，得出丁二酸、苹果酸、硬脂酸比例为6:2:2，其焊点圆润饱满规整、无回缩现象，活性稳定持续，表面光亮，无团聚现象，铺展性能良好。