焊膏技术及其进展

＊周盾白

（广东科学技术职业学院 广东 510640）

电子制造工业近来在小型手持产品如手机和个人设备的制造上获得了很多经验。由于晶片的微缩化和产品性能的提高，晶片制造商成功地生产出I/O密度非常高的晶片。对电子制造商来说，制造出很高密度，超低成本的可靠的焊锡联接非常具有挑战性[1]。

焊膏是SMT生产中重要的辅料，其质量的优劣直接关系到SMT品质的好坏，因此受到人们广泛的重视。除了SMT的刮板印刷，还有针筒式点涂和移针印[2]。其中以刮板印刷为主。一款好的焊膏，需要具有良好的综合理化性能，金属部份、助焊膏部份及焊膏整体性能都需要综合考虑，只有这样才能生产一款具有高可靠性的微电子装备用的焊膏[3]。

1.焊膏组成

焊膏由合金焊料粉末和具有触变性的焊剂系统组成。合金焊料粉末的成分、颗粒形状和尺寸是影响焊膏特性的重要因素，需根据焊接对象的实际需要和具体焊接工艺合理选择[4]。焊剂系统除了作为合金焊料份的载体，同时起到净化焊接表面、提高润湿性、防止焊料氧化和确保焊点可靠性的作用。

（1）焊粉。焊膏中的合金焊粉质量分数一般是75%～90%。增加金属质量分数有助于控制焊缝内的空洞和焊缝体积大小，并使焊后易于清洗。其主要材质为SnPb合金和SnAgCu合金（为了满足欧盟要求现在主要采用的无铅焊粉）。

焊膏中的焊料粉末尺寸、形状和分布是影响焊膏性能的主要参数之一，它对焊膏的性能起关键作用。一般采用喷射塔制造焊料粉末，控制冷却条件等使工艺条件处于最佳状态，就能形成球形的和均匀的焊料颗粒。否则会发生颗粒的破裂变形弯曲，而形成非球形的焊粒颗粒。大多数焊膏都采用球形焊料粉末，因球形粉末在给定体积下总表面积最小，能减少可能发生表面氧化的面积。球形合金粉末的表面积小、氧化程度低、制成的焊膏具有良好的印刷性能。合金焊料粉末的粒度一般在200～400目。粒度愈小，黏度愈大；粒度过大，会使锡膏粘接性能变差；粒度太细，则由于表面积增大，会使表面含氧量增高，也不宜采用[5-6]。

银具有高导电导热、耐腐蚀、抗氧化、延展性好等特性，因此银基焊膏在金属焊接与电子表面装联领域具有广泛的应用[7-8]。除了常用的SnAgCu合金无铅焊料，研究者对其它的无铅焊料也做了大量的研究，戎万等[9]综述了高温钎料的发展，高温钎焊正朝着高效、精细、智能的方向发展，而高温焊膏是实现这一目标的有效途径，常用的有镍基、铜基、银基、钛基和金基五种高温钎料。李伟等[10]研究了熔点在320℃的金锡合金焊膏；杨泽霖等[11]研究了一种熔点在220℃的中温锡锌焊膏；杨婉春等[12]研究了一种烧结温度在160～320℃的纳米铜焊膏。

（2）助焊膏。在焊膏中，糊状助焊膏是合金粉末的载体，体积分数在50%左右。为了改善印刷效果和触变性，需加入触变剂和溶剂；助焊膏中活性剂的作用，能清除被焊接材料表面以及合金粉末本身的氧化膜，使焊料迅速扩散并附着在被焊金属表面。刘旭东等[13]采用丁二酸、苹果酸、硬脂酸复配，焊点润湿性好，焊点光滑圆润，铺展性良好。郝娟娟等[14]采用10种有机酸作为无卤活性剂，羧酸X、羧酸Y与己二酸比例为1:2:4时，焊膏具有良好的润湿性和抗塌陷性。一款质量优良的焊膏，其助焊膏的配制是非常复杂的，融合了物理化学、高分子物理、金属化学等多学科的知识。

对于不同的焊粉，助焊膏的配方也非常不同，王君等[15]通过甲基丁二酸、己二酸、水杨酸和丁二酸复配，焊膏润湿性能优异，焊点铺展率达86.52%。

2.焊膏的特性和影响因素

焊膏需要具有优良的储存稳定性。焊膏制备后，在印刷前冷藏（或在常温下）保存3—6个月，其性能应保持不变。要有合适的黏性。表面组装常利用焊膏的黏性把SMD暂时固定在PCB表面上，为此，要求焊膏有良好的黏度，而且要求其黏度随时间变化小，当元器件贴装后经过较长时间才进行再流焊接也不会减小其黏性。同时，有较好的印刷性、对基材润湿性、较好的焊接强度等[16]。

（1）焊膏的流变特性。焊膏是高黏度的膏体，在外力作用下，其流动行为会发生改变，并对焊膏的印刷质量有直接影响。印刷焊膏是SMT生产中的第一道工序，也是最关键的工序，统计表明SMT生产中60%～70%的焊接缺陷与焊膏的印刷有关。

焊膏中的助焊剂含有一定量的触变剂，具有假塑性流体性质，这种性质在印刷锡膏时是非常有用的。即焊膏在印刷时，受到刮刀的推力作用，其黏度下降，故能顺利通过窗口沉降到PCB焊盘上，印刷完成，焊膏黏度又迅速回升，这样就保证了印刷图形的规整性。焊膏属于触变流体。从印刷的角度来看，焊膏的触变特性是一种受搅拌影响的特性，达到平衡需要一定时间，其印刷图像边缘比较整齐[17-19]。

焊料合金粒径对具有相同合金成分及焊剂系统的焊膏黏度的影响，粉末粒径增加，黏度减少；粉末粒径减少，黏度增加。这是因为粉末颗粒的表面积随粒径的减少而增加，引起总剪切力增加，所以黏度增加。

温度增加，黏度减少。为了控制锡膏黏度，必须把使用环境温度控制在适当范围内，因为即使2℃的微小温度变化也能使黏度发生至少几十帕·秒的变化，从而影响焊膏的印刷质量。

（2）焊膏的熔点与焊接温度。焊膏的熔点主要取决于合金焊料粉的成分与配比。根据焊膏组成成分和熔点的不同，采用的回流焊接温度也不同，而焊接效果和性能也各不相同。

3.工艺要求

要提高SMT工艺的制品良率，必须要理解SMT的工艺要求和工艺特点，这样采用的焊膏才能和实际工艺所匹配。在SMT的不同工艺或工序中，要求焊膏具有与之相应的性能[20]。但是，一款再好的焊膏，必须配合合适的工艺，才能得到高的良品率，焊膏和工装的作用是相辅相成的，因此必需要处理好二者的关系，这样才是有意义的。在SMT生产中，焊膏施加到印制板的焊盘上的方式，可以分为三种：手工滴涂、焊膏印刷、焊膏喷印[21]。焊膏印刷是主要的生产工艺。但对于航天小批量、多品种产品而言，丝网印刷显得不太适合，采用自动喷印式更为灵活，适用性广，无需定制钢网[22]。

在使用过程中，即在印刷时和在再回焊炉加热的时候，焊膏应具有以下流变特性：（1）印刷时有良好的脱模性。焊料合金粉末颗粒直径、粒度分布和形状对脱模性影响很大，应选择粉末颗粒直径小于钢网开口部位尺寸的1/4，并选用粉末颗粒为球形颗粒（特别是在贴装细间距器件时）。当焊膏黏度较高时，其流动性差，脱模困难；但黏度太低，则印刷后可能出现坍塌现象。焊膏触变性较差时，脱模较容易，但又容易发生坍塌。为此，必须按实际要求和工作条件合理选择和确定焊膏的流变参数。（2）印刷时和印刷后焊膏不易坍塌。实际上，印刷脱模性和坍塌性有相应关系，如在无定形焊料粉末中，粒度大和触变性好时，不易坍塌。

QFN是一种较新的IC封装形式，适应性更广、可靠性较高。焊接时，一定要调整好焊接温度曲线，尽量降低因温度升高产生的气泡，并要合理控制焊膏的印刷工艺和贴装焊接工艺，确保QFN的焊接可靠性[23]。

（1）回流焊要求。不论是点涂、喷涂还是丝印，最终都要通过回流焊来达到最终的焊接。由于不同的焊膏其助焊膏配方不同，每款焊膏金属成份，助焊膏中溶剂挥发的温度、速度，活性剂作用的温度等都不相同，我们需要对回流焊的温度曲线进行合理的设计。不论是采用何种工艺的焊膏，其回流焊时要求焊膏具有下列特性。

①具有良好的润湿性能。焊膏中的焊剂和波峰焊中的助焊剂不同，在回流焊加热曲线的下，其润湿行为更为复杂。

②减少焊料球的形成。产生焊料球是焊膏回流时常出现的不良现象，业界称为锡珠。这有两方面原因，一方面由于当温度急剧上升时，焊膏会出现近似沸腾现象，引起焊料颗粒飞溅。这需要在助焊膏配方设计的时候，控制不同沸点溶剂的比例，在升温过程中让一部份溶剂先挥发，这样就不会出现助焊膏集中熔化沸腾的现象。另一方面，焊粉的氧化程度不能太高，否则助焊膏中的活性剂不能让它完全还原为单质金属，使焊粉不能在回流焊温度下熔融，从而形成锡珠；助焊膏中的活性成份也不能太低，应能使焊粉金属正常完成还原反应[24]。

③回流焊接后要求的特性。A.洗净性。焊接后若有焊剂残渣和焊料球留在电路板上，将影响组件可靠性，所以一般需在焊接后进行清洗。特别是对高性能电子产品和军事装备电路组件，清洗是必须的。传统组装工艺常采用松香型焊剂，其有效清洗剂是氟氯烃（CFC）等。因为焊接后在电路板组件上残留下的焊剂剩余物是焊剂中的固体成分，所以要求焊剂中固体含量越低越好。同时，要求焊剂成分具有高绝缘性和低腐蚀性。B.焊接强度。焊接后能得到良好的接合状态（焊点），要求焊料合金及其焊缝具有一定的机械强度，以确保PCBA在使用过程中不会因振动等因素而出现元器件脱落，保证其长期可靠性[25]。

（2）SMT印刷要求。在SMT工艺中，印刷工艺对良品率的影响达到60%～70%。首先，SMT工艺通常采用模板印刷，由于焊膏印刷比其它涂料的印刷复杂和易发生质量问题。焊膏的印刷工艺设定和控制，在整个表面组装工艺中应该放在首要的位置[28]。在模板印刷中，最大印刷速度取决于PCB上SMD的最小脚距，在进行高精度印刷时（脚距≤0.5mm），印刷速度一般在20～30mm/s。使用角度小的刮刀印刷时，焊膏印刷量是其重要的控制因素；印刷用刮刀通常都采用合金、聚酯橡胶等做成。合金材料做的刮刀因其硬度高，印刷图型较规整，但是这种刮刀，会增加钢网本身的磨损；模板印刷的印刷厚度基本由模板的厚度决定，并与焊膏特性及工艺参数有关。

4.结论

本文综述了焊膏的组成与性能的关系，只有各方面性能达到完美平衡的焊膏，才能在SMT生产中具有良好的表现。同时，结合SMT生产实际状况，焊膏的性能需要和工艺工装良好地匹配，才能使SMT生产获得高的良品率和产品品质。