SnAgCu無鉛焊膏用活性劑的優化研究

＊劉旭東 穆荻 孫旭東

（大連大學環境與化學工程學院 遼寧 116622）

1.引言

隨著社會的發展，無鉛焊膏逐漸運用在電子元器件、工業等各個領域，是表面組裝回流焊工藝必需的材料，焊膏的質量好壞直接關系到表面組裝元器件的品質，因此受到人們廣泛的重視[1-2]。

活性劑種類很多，但針對無鉛焊膏助焊劑中活性劑成分的研究鮮見報道[3-4]。本文選用檸檬酸、蘋果酸、丁二酸、乳酸、硬脂酸等5種活性劑配制SnAgCu焊膏，用回流焊接實驗優選性能較好的活性劑種類，并對活性劑的復配進行了正交試驗優化研究。

2.實驗

(1)儀器與材料

儀器：KSL-1100X箱式電阻爐、X962AF八段回流焊機、DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、JY-PH型接觸角測定儀等；

材料：Sn-Ag-Cu釬料、TU1無氧紫銅板；

主要試劑：檸檬酸、蘋果酸、丁二酸、乳酸、硬脂酸、己二酸、水楊酸等均為化學純。

(2)實驗過程

①單一活性劑的優選

表1 助焊劑成分組成

將所選的5種活性劑的每一種按表1的成分要求配成助焊劑，再將該助焊劑分別以15:85的質量比與Sn-0.3Ag-0.7Cu無鉛焊錫粉配成5種焊膏，在回流焊機中進行焊接實驗[5-7]。在此基礎上，用三種表現較好的活性劑，進行正交試驗從而確定最佳的活性劑比例。

②助焊劑接觸角性能測試

實驗選用TU1無氧紫銅板作為基板。該基板表面光滑，規格為20mm×20mm×2mm，用砂紙進行打磨去除表面氧化膜，分別用丙酮和無水乙醇超聲波清洗5分鐘。選取常用五種有機酸，按照表1配成助焊劑。實驗在JY-PH型接觸角測定儀上進行，用PHS-3C型pH數字酸度計測試溶液pH值。

③復配活性劑的優選

根據單一活性劑的接觸角測試，選擇三種性能較好的活性劑，進行組合方法，再按照表1配成助焊劑，備用。實驗在JY-PH型接觸角測定儀上進行，用PHS-3C型pH數字酸度計測試溶液pH值。

3.結果與分析

(1)助焊劑接觸角對焊膏助焊性能的影響

圖1 接觸角測量示意圖

液體在固體材料表面上的接觸角，是衡量該液體對材料表面潤濕性能的重要參數。由圖1可知：若θ＜90°，則固體表面是親水性的，即液體較易潤濕固體，其角越小，表示潤濕性越好；若θ＞90°，則固體表面是疏水性的，即液體不容易潤濕固體，容易在表面上移動。由θ可以預測如下幾種潤濕情況：①當θ=0，完全潤濕；②當θ＜90°，部分潤濕或潤濕；③當θ=90°，是潤濕與否的分界線；④當θ＞90°，不潤濕；⑤當θ=180°，完全不潤濕。

表2為5種活性劑的左切線角測試結果，由于焊膏需要良好的鋪展率，接觸角θ值越小越好。因此，丁二酸、蘋果酸、硬脂酸的鋪展性能更加良好。

表2 5種活性劑接觸角

(2)復配活性劑對焊膏助焊性能的影響

通過組合方法，將三種活性劑，丁二酸、蘋果酸、硬脂酸進行組合分配，得到丁二酸、蘋果酸、硬脂酸比例為2:2:6、8:1:1、6:2:2、4:2:4時接觸角較小。

表3 組合后接觸角

圖2 單一活性劑焊點在銅基板的顯微鏡圖

在回流焊過程中，焊錫球也會在元件周圍飛濺。在圖2中可以看出，丁二酸、蘋果酸、硬脂酸焊點圓潤飽滿，而檸檬酸出現了很大的空隙，對銅基板的潤濕性很差，未與基板完全潤濕，乳酸腐蝕銅基板較為嚴重，焊點周邊出現有色陰影，并且出現發黑，不光澤，由于相對于焊點的體積而言，被丁二酸、蘋果酸、硬脂酸三種活性劑包圍的面積相對較小，焊點的結合強度略有增加，所以將丁二酸、蘋果酸、硬脂酸進行組合，形成助焊劑。

圖3 復配活性劑焊點在銅基板的顯微鏡圖

圖3中的（1）-（12）號為復配活性劑的助焊劑焊點，在加熱條件下，焊點失效一般發生在焊料內部，因此對焊料的微觀結構特征更為敏感，而焊料的微觀結構特征又受到條件的顯著影響。從圖中可以看出來，（7）號焊點圓潤飽滿，鋪展性能良好，并且沒有腐蝕銅基板斑點，表面光滑，并且也無回縮現象。

圖4 （7）號焊點的微觀結構SEM圖

從圖4中可以看出，Sn-Ag-Cu釬料與助焊劑混合均勻，助焊劑縮小了釬料分子間的距離，一般來說，由于粒子間的相互作用，如范德華引力，而釬料中的粒子有形成聚集體的趨勢，加入助焊劑后，減緩了團聚體的形成，并且加強了焊膏的流變性與鋪展性。

4.結論

對所制備的助焊劑進行接觸角及pH的測試，篩選出丁二酸、蘋果酸、硬脂酸等活性劑進行組合，并且制備助焊劑及焊膏，在回流焊機中進行焊接實驗，對焊后進行顯微鏡和SEM拍攝，得出丁二酸、蘋果酸、硬脂酸比例為6:2:2，其焊點圓潤飽滿規整、無回縮現象，活性穩定持續，表面光亮，無團聚現象，鋪展性能良好。