溶劑對細間距用無鉛焊錫膏抗熱塌性的影響

楊 楠，趙麥群，明小龍，孫 杰

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溶劑對細間距用無鉛焊錫膏抗熱塌性的影響

楊 楠，趙麥群，明小龍，孫 杰

（西安理工大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710048）

焊接后出現橋連、短路是高密度電子組裝中經常遇到的問題。通過回流焊接實驗和抗熱塌性實驗，研究了助焊劑中溶劑的復配對焊錫膏抗熱塌性的影響。結果表明：四氫糠醇與丙二醇苯醚按質量比3:2復配得到的焊錫膏焊點光亮飽滿，鋪展率達到84.83%，抗熱塌性(150℃)優異。四氫糠醇與聚乙二醇單甲醚250(MPEG250)按質量比1:1復配得到的焊錫膏助焊性良好，焊點鋪展率高達86.55%，具有優異的抗熱塌性(150℃)，并在180℃下仍表現優異，且最小不橋連間距為0.06 mm，滿足超細間距條件下的焊接要求。

無鉛焊錫膏；細間距；溶劑；助焊性能；鋪展率；抗熱塌性

隨著電子技術的飛速發展，封裝的小型化和組裝的高密度化以及各種新型封裝技術的不斷涌現，對電子組裝質量的要求越來越高[1]，對焊錫膏各方面的性能也提出更嚴格的要求。由于封裝基板向更小尺寸發展，引腳數量進一步增多，引腳線寬/引腳間距更微細化[2]，因此制備出細間距用無鉛焊錫膏成為了表面組裝領域的一項重大任務。優異的抗熱塌性是細間距用無鉛焊錫膏必須具備的特質，可以大大減少焊后出現橋連、短路等缺陷的幾率[3]，而我國在這一方面起步較晚，主要是依靠進口來滿足國內需求。因此開發出具有自主知識產權的高性能細間距用無鉛焊錫膏，將使我國IC（集成電路）產業實現國際化、品牌化，也才能引領我國電子產業逐漸走向世界前列。

近幾年，國內外對SnAgCu系焊錫膏的研究主要集中于焊錫膏的流變特性[4-5]以及印刷性[6-7]等方面。在焊錫膏抗熱塌性方面，葛曉敏等[8]研究了聚酰胺改性氫化蓖麻油的添加量對焊錫膏抗熱塌性的影響，當用量為5 g時印刷圖形直徑變化量最小且為0.15 mm。徐曉艷[9]研究了觸變劑的種類以及添加工藝對焊錫膏抗熱塌性的影響，制備的焊錫膏最小不橋連間距為0.1 mm。而影響焊錫膏抗熱塌性的因素有很多：觸變劑的性能及添加量、焊錫粉與助焊劑的比例、溶劑以及其他化學物質等等[10]。目前關于助焊劑中溶劑對焊錫膏抗熱塌性能的影響還鮮見報道。因此，筆者通過研究溶劑復配對焊錫膏的助焊性能和抗熱塌性能的影響，對焊錫膏抗熱塌性進行優化研究，這對焊錫膏抗熱塌性的提高以及使其滿足細間距焊接都有一定意義。

1 實驗

1.1 設備與材料

設備：T200N+型小型精密無鉛回流焊機，BS210S精密電子天平，78-I型數顯恒溫磁力攪拌器，高溫箱式電阻爐，標準絲網印刷模板（絲網印刷模板上面的圖形分兩種不同尺寸，分別為0.63 mm×2.03 mm和0.33 mm×2.03 mm。

材料：Sn0.3Ag0.7Cu焊錫微粉，20~38 μm（400~700目）；KE-604松香，Foral AX-E全氫化松香；活性劑：壬二酸、己二酸；溶劑：四氫糠醇、聚乙二醇單甲醚250（MPEG250）、丙二醇苯醚，化學純；觸變劑：氫化蓖麻油。實驗用基板分別為15 mm×15 mm×1.5 mm和50 mm×50 mm×1.5 mm的單面覆銅板，銅層厚度約35 μm。基板在使用前經過打磨和除銹處理，并用無水乙醇擦洗。

1.2 實驗方法

筆者對溶劑采取復配，采用低沸點的四氫糠醇分別與高沸點的MPEG250和丙二醇苯醚進行復配。將所選的溶劑按表1的成分要求配制成助焊劑，溶劑分別按質量比1:0，4:1，3:2，1:1，2:3，1:4，0:1進行復配，再將助焊劑分別以11:89的質量比與焊錫微粉配制成焊錫膏，研究溶劑復配對焊錫膏性能的影響。

表1 助焊劑的成分

Tab.1 The components of the flux

焊錫膏鋪展性能測試：將焊錫膏用規格為6.5 mm×0.3 mm的不銹鋼模板印刷在15 mm×15 mm×1.5 mm的單面覆銅板上，然后進行回流焊接。本試驗依據GB/T9491—2002中的計算方法。焊錫膏的鋪展率（%）按式（1）、式（2）計算，結果取平均值。

式中：為焊料球等效直徑，mm；為焊點鋪展高度，mm；pp為印刷的焊錫膏的質量，g；為配制焊膏焊料微粉的質量分數；為換算系數；對于Sn0.3Ag0.7Cu合金，值為6.396 65。

焊錫膏抗熱塌性能測試：用標準的絲網印刷模板在50 mm×50 mm×1.5 mm的單面覆銅板上印刷圖形，室溫下放置15 min，然后置于溫度為150℃的電阻爐中加熱15 min，取出并觀察記錄其最小不橋連間距，即為焊錫膏的塌落度。最小不橋連間距越小，說明焊錫膏的抗熱塌性越好。

2 結果與分析

2.1 溶劑四氫糠醇與MPEG250復配對焊錫膏抗熱塌性的影響

表2為四氫糠醇與MPEG250以不同質量比(:)復配對焊錫膏的焊點形貌、焊點鋪展率的影響。從表中可以看出，幾種不同比例的復配溶劑對應焊錫膏的焊點形貌都很理想，外觀飽滿、光亮，潤濕性良好。隨著MPEG250含量的增加，焊點鋪展率呈現先上升后下降的趨勢，且當復配質量比為1:1時，焊錫膏鋪展率最高，達到86.55%。由于單一溶劑MPEG250配制焊膏的焊點鋪展率高于單一溶劑四氫糠醇的焊點鋪展率，所以隨MPEG250的含量增加時，焊點鋪展率先呈現出上升的趨勢，隨后出現下降的趨勢，這是由于溶劑MPEG250是高沸點溶劑，當高沸點物質含量過高時，在預熱階段不能完全揮發，殘留部分便在焊料熔化區沸騰，阻礙焊料的鋪展，從而引起焊點鋪展率下降[11]。

圖1為四氫糠醇與MPEG250以不同質量比復配對應焊錫膏的部分焊盤印刷后的熱塌實驗圖，表3為四氫糠醇與MPEG250以不同質量比復配對應焊錫膏的焊盤抗熱塌性實驗的最小不橋連間距。由抗熱塌實驗結果的圖1中可以看出，(a)圖、(b)圖、(c)圖、(d)圖以及(e)圖中，尺寸為0.63 mm×2.03 mm的圖形（左圖）輪廓清晰，圖形規整，圖形間沒有出現橋連，而尺寸為0.33 mm×2.03 mm的圖形中（右圖）部分出現了橋連。(f)圖和(g)圖中0.63 mm×2.03 mm尺寸的圖形邊緣模糊，但是圖形間橋連不明顯，而0.33 mm×2.03 mm尺寸的圖形間出現了嚴重的橋連。根據表3中的數據顯示，復配質量比為1:4和0:1時，焊錫膏的抗熱塌性較差，最小不橋連間距達到0.41 mm，而復配質量比為1:0和1:1時，焊錫膏的抗熱塌性最好，最小不橋連間距為0.06 mm。

表2 四氫糠醇與MPEG250復配對焊錫膏助焊性的影響

Tab.2 The effect of mixtures of tetrahydrofurfuryl alcohol and MPEG250 on solder paste soldering

表3 焊盤的抗熱塌實驗結果

Tab.3 The anti-hot slump results of solder pads

由于焊錫膏的抗熱塌性實驗是在150℃下進行的，因此150℃下焊錫膏的黏度與其抗熱塌性有著密切的關系，黏度越高，焊錫膏的抗熱塌性越好。反之，焊錫膏的抗熱塌性越差。助焊劑中所用的兩種松香其軟化點分別為125℃和80℃，四氫糠醇的沸點為178℃，MPEG250的沸點為255℃。當溫度為150℃時，松香達到自身的軟化點，形態由固態變為液態，從而使焊錫膏的黏度變小，易于流動，而溶劑的揮發可以使焊錫膏的黏度增大，補償因松香軟化造成的黏度損失，防止焊錫膏出現塌落[12]。因此，當四氫糠醇的含量較高時，焊錫膏表現出較好的抗熱塌性，因為較多的溶劑揮發，使得軟化速率與揮發速率達到了一個平衡比例。而隨MPEG250含量的增加，焊膏的抗熱塌性越來越差。這是由于MPEG250的沸點較高，在持續升溫過程中，焊料合金粉末以較快的速度將熱量傳到焊膏內部，溶劑升溫但揮發緩慢，則會不斷膨脹且不能透過焊料合金粉末的空隙揮發出去，那么無限制的膨脹最終導致焊膏坍塌[10]，并且MPEG250在150℃時揮發速率較慢，使得此時焊錫膏黏度變小，焊錫膏黏度越小越容易漫流，從而發生了橋連。

在研究焊錫膏的性能時，不能只滿足單一的性能。判斷焊錫膏是否具有良好的性能，需要檢測焊錫膏的綜合性能。而焊錫膏的助焊性是其最基本的性能，決定著焊點是否連接牢固，所以在討論焊錫膏的抗熱塌性時必須結合其焊點的鋪展率即助焊性能。由以上分析可知，溶劑復配質量比為1:0和1:1時，焊錫膏的抗熱塌性最好，但是比例為1:0時焊點的鋪展率最小，1:1時焊點的鋪展率最大，這表明四氫糠醇與MPEG250按1:1比例進行復配性能最佳。

2.2 溶劑四氫糠醇與丙二醇苯醚復配對焊錫膏抗熱塌性的影響

表4為四氫糠醇與丙二醇苯醚以不同質量比（:）復配對焊錫膏焊點形貌、焊點鋪展率的影響。從表中可以看出，除了質量比為1:1時焊點邊緣出現了回縮，其余焊點均光亮、飽滿，外觀較為理想。隨著丙二醇苯醚含量的增加，焊點鋪展率呈現出先上升后下降的趨勢，但是在質量比為1:1時出現了一個凹陷值，這是由于焊點出現了回縮，表現為潤濕性不夠，降低了其鋪展率。當質量比為3:2時焊點鋪展率達到了最大值為84.83%，助焊性最好。

圖2為四氫糠醇與丙二醇苯醚以不同質量比復配對應焊錫膏的部分焊盤印刷后的熱塌實驗圖，表5為四氫糠醇與丙二醇苯醚以不同質量比復配所對應焊錫膏的焊盤抗熱塌性實驗的最小不橋連間距。由圖2中可以看出，(a)圖、(b)圖、(c)圖以及(d)圖中，尺寸為0.63 mm×2.03 mm的圖形（左圖）挺括、規整，且圖形間沒有出現橋連，但是(b)圖和(d)圖中尺寸為0.33 mm×2.03 mm的圖形（右圖）出現了不同程度的橋連現象，(e)圖、(f)圖、(g)圖在尺寸為0.33 mm×2.03 mm的圖形中均出現了嚴重的橋連現象。根據表5中的數據顯示，隨著丙二醇苯醚含量的增加，焊錫膏的抗熱塌性越來越差。當質量比為1:0和3:2時焊錫膏的抗熱塌性最好，印刷的圖形間沒有出現橋連，即最小不橋連間距為0.06 mm。當質量比為2:3，1:4和0:1時，圖形間的最小不橋連間距較大，焊錫膏的抗熱塌性較差。

表4 四氫糠醇與丙二醇苯醚復配對焊錫膏助焊性的影響

Tab.4 The effect of mixtures of tetrahydrofurfuryl alcohol and propylene glycol monophenyl ether on solder paste soldering

表5 焊盤的抗熱塌實驗結果

Tab.5 The anti-hot slump results of solder pads

由以上分析可知，質量比為1:0和3:2時焊錫膏的抗熱塌性最好，且最小不橋連間距為0.06 mm。但是，在對焊錫膏進行助焊性能討論時，得出質量比1:0時焊點鋪展率最低，而3:2時鋪展率最高，表明四氫糠醇與丙二醇苯醚按3:2質量比進行復配性能最佳。

由2.1、2.2討論可知，高沸點溶劑的含量是焊錫膏抗熱塌性的重要影響因素之一，適當的溶劑含量才能保證焊錫膏優異的抗熱塌性。

焊錫膏因助焊劑的揮發容易在預熱階段和活化階段發生坍塌，在150℃下沒有發生橋連并不代表在180℃下也不發生橋連，而四氫糠醇與MPEG250以質量比1:1復配和四氫糠醇與丙二醇苯醚以質量比3:2復配所得到的焊錫膏均在150℃下具有優異的抗熱塌性，所以筆者對這兩組進行了180℃的熱塌性測試，熱塌圖片如圖3所示。

圖3 兩組復配溶劑對應焊錫膏焊盤的180 ℃抗熱塌實驗圖片

從圖3中可以看出，(a)圖中沒有出現橋連，而(b)圖中出現了橋連，且最小不橋連間距分別為0.06 mm和0.15 mm。表明四氫糠醇與MPEG250按1:1質量比復配對應焊錫膏具有更加優異的抗熱塌性，且滿足超細間距條件下的焊接要求。

3 結論

（1）四氫糠醇與MPEG250最佳復配質量比為1:1，四氫糠醇與丙二醇苯醚最佳復配質量比為3:2，兩者所得到的焊錫膏均具有良好的助焊性和優異的抗熱塌性(150℃)，且最小不橋連間距均為0.06 mm。

（2）隨著高沸點溶劑含量的增加，焊錫膏焊點鋪展率先上升后下降，焊錫膏的抗熱塌性越來越差。

（3）四氫糠醇與MPEG250按質量比1:1復配得到的焊錫膏180℃下的抗熱塌性明顯優于四氫糠醇與丙二醇苯醚按質量比3:2復配得到的焊錫膏，且最小不橋連間距仍為0.06 mm，滿足超細間距條件下的焊接要求。

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（編輯：陳渝生）

Effect of solvent on anti-hot slump ability of lead-free solder paste with fine-pitch

YANG Nan, ZHAO Maiqun, MING Xiaolong, SUN Jie

(School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Bridging and short-circuit are the common problems in high density electronic packaging. The effects of compound solvents in flux on the anti-hot slump of solder paste were studied by reflow soldering and anti-hot slump test. The results show that mixed with tetrahydrofurfuryl alcohol and propylene glycol monophenyl ether (mass ratio=3:2) as solvent, the solder paste has good anti-hot slump ability (150℃).The spreadability is 84.83% and the appearance of spots is plump, beamy. Mixed with tetrahydrofurfuryl alcohol and MPEG250 (mass ratio=1:1) as solvent, the solder paste has good soldering and excellent anti-hot slump ability(150℃), and the spreadability is as high as 86.55%.The solder paste still has excellent anti-hot slump ability at 180℃and the minimum non bridging space is 0.06 mm.The solder paste meets the requirement of ultra-fine pitch technology.

lead-free solder paste; fine-pitch; solvent; solderability; spreadability; anti-hot slump ability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.013

TN604

A

1001-2028（2017）11-0073-05

2017-08-29

趙麥群

陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目資助（No. 14JS069）

趙麥群（1960－），男，陜西戶縣人，教授，主要從事粉體功能材料及其產品的研發，E-mail:zhaomq@mail.xaut.edu.cn ；

楊楠（1993－），女，陜西戶縣人，研究生，研究方向為電子功能材料，E-mail: 1549365362@qq.com。

2017-11-02 15:47

網絡出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171102.1547.012.html