乳化工藝對無鉛焊錫膏性能的影響*

熊曉嬌，武 信，柳麗敏，何 歡，錢 斌，何禹浩，張文正

(云南錫業新材料有限公司，云南 昆明 650501)

焊錫膏主要用于電子產品的焊接。目前市場上的無鉛焊錫膏以SnAgCu系列為主[1]。隨著電子產品向數字化、超大規模集成化、微型化、精密化方面發展，對焊錫膏的質量提出了更高的要求[2]。助焊膏作為焊錫膏的輔料(質量分數為10%～20%)，不僅可以提供優良的助焊性能，而且還直接影響焊錫膏的印刷性能和儲存壽命[3]。助焊膏還能凈化焊接表面，輔助完成焊接，提高潤濕性，防止焊接時表面再次氧化，降低焊料表面張力。助焊膏是保證焊錫膏質量以及優良工藝性的關鍵材料。可以說，助焊膏的品質直接影響表面貼裝技術(Surface mounted technology，簡稱 SMT)整個工藝過程和產品的質量，而助焊膏的制備工藝直接影響助焊膏的整體性能，進而影響焊錫膏性能。目前，乳化工藝更多的是應用于炸藥和日化產品的生產，而關于制備助焊膏乳化工藝研究的文獻卻鮮有發現。隨著電子焊料的需求日益增加，對助焊膏的需求也逐日上漲，優化助焊膏的制備工藝，能有效減少人力和時間的投入，提高產量，且更有利于對助焊膏質量的把控，對乳化工藝進行優化改進意義重大且亟待解決。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器設備

材料：松香、有機酸、溶劑、觸變劑、抗氧劑、Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金、Type4(20～38 μm)規格焊錫粉、PCB(Printed Circuit Board)板、載玻片等。

儀器設備：電子天平，乳化機，三輥碾磨機，ACM-5LV愛公社攪拌機，IPC-A-21金屬模板，無鉛熱風回流爐，Stemi-508型體式顯微鏡，離心機。

1.2 實驗步驟

1.2.1 助焊膏制備

按助焊膏配方精確稱取各物料。將松香和溶劑加入反應釜中，設置乳化溫度，通過反應釜夾層中通導熱油的方法進行加熱，設置攪拌軸轉速，從視鏡觀察反應釜內情況，待松香被分散至無大顆粒物后，按順序從加料口依次加入后續物料。加熱結束后，關閉加熱，邊攪拌邊降溫，待釜內原料冷卻至結束溫度時停止攪拌；將助焊膏倒入容器內密封冷卻至室溫備用[4]。改進前小試乳化工藝參數見表1。

表1 小試乳化工藝參數

在小試乳化工藝(表1)參數的基礎上，保持 70 ℃ 的結束溫度和 800 r/min 的攪拌速率不變，將乳化溫度設置從 95 ℃ 梯度升高至 110 ℃。以 5 ℃ 為一個溫度梯度，制備助焊膏及對應焊錫膏，編號為a～d(詳見表2)，將制備的助焊膏經同一碾磨工藝碾磨備用。

表2 乳化溫度改進

通過乳化溫度改進試驗，確定最佳乳化溫度，保持 105 ℃ 的最佳乳化溫度和 800 r/min 的攪拌速率不變，將乳化工藝的結束溫度從 70 ℃ 降低至 40 ℃。每降低 10 ℃ 為一個溫度梯度，制備助焊膏及對應焊錫膏，編號為e～h(詳見表3)，將制備的助焊膏經同一碾磨工藝碾磨備用。

表3 結束溫度改進

1.2.2 焊錫膏制備

以11.5%的助焊膏比例，將8組碾磨后的助焊膏(編號為a～h)分別與同一批次Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金Type 4規格焊錫粉混合，按相同的攪拌工藝各制備 0.5 kg 焊錫膏(編號為a～h)。

1.3 測試項目及方法

1.3.1 助焊膏粒度測試

分別取等量a～h編號的助焊膏，均勻涂布于潔凈干燥的載玻片上。涂布厚度宜薄。將樣件置于體式顯微鏡下，以相同倍率查看助焊膏粒度，標示出粒度大小。助焊膏粒度應滿足90%的粒度<80 μm。

1.3.2 焊錫膏狀態觀察

觀察時，手持潔凈干燥的刮刀，攪拌焊錫膏1～2 min 后將其部分挑起，觀察焊錫膏的流動性以及細膩程度。焊錫膏細膩、有光澤，且具有較好的流動性時，判定為焊錫膏狀態較好。

1.3.3 焊錫膏黏度測試

按照JIS Z 3284-3：2014標準對焊錫膏黏度進行測試。為滿足SMT印刷作業要求，焊錫膏黏度在 160 Pa·s 為最佳，且黏度變化率應<20%。

1.3.4 焊錫膏潤濕性測試

測試時，先用塑料刮刀按順時針方向攪拌焊錫膏1～2 min，再將 0.13 mm 厚度的鋼網覆于PCB板上并對齊網孔，使用印刷刮刀以45°角勻速將焊錫膏填滿鋼網孔洞，最后移開PCB板，將印刷好的PCB板置于無鉛熱風回流爐中進行回流焊接。焊接過程中，焊錫膏中的助焊膏發揮活性作用，有效去除焊盤表面的氧化物，增強焊料流動性，降低焊料合金的表面張力，增強焊盤與焊料間的潤濕性，幫助完成焊接[5]。焊接完成后在顯微鏡下觀察潤濕效果，焊錫膏潤濕性以焊點飽滿、無回縮退焊問題為最佳。

1.3.5 焊錫膏耐干性測試

測試時，各取 100 g 制備好的焊錫膏，將其置于高速離心機中連續離心 30 min，待離心結束且焊錫膏恢復至室溫后查看焊錫膏狀態。若焊錫膏經連續高速離心 30 min 后細膩有光澤且具有較好流動性，則判定為焊錫膏耐干性較好；若離心后焊錫膏砂化甚至發干，則判定為焊錫膏耐干性差。

2 結果與討論

2.1 乳化溫度的影響

2.1.1 助焊膏粒度

不同乳化溫度下制備4組助焊膏，編號為a～d，測試4組助焊膏研磨前的粒度，結果如圖1所示。

(a) (b)

由圖1可知，升高乳化溫度制備的助焊膏(a～d號)的粒度整體偏大，絕大多數助焊膏粒度>100 μm，且粒度大小一致性差。助焊膏粒度隨乳化溫度的升高而變小，乳化溫度從 95 ℃(a)升高至 105 ℃(c)時改善效果明顯，繼續升高至 110 ℃(d)時粒度較 105 ℃(c)無明顯改善。乳化溫度升高使固體性狀的原料熔化更加充分，從而有效減小了助焊膏粒度。就助焊膏粒度而言，105 ℃ 的乳化溫度已為最佳，繼續小幅度升高乳化溫度見效甚微。若大幅度升高乳化溫度，將由乳化工藝轉變為高溫合成工藝，故暫將 105 ℃ 選定為最佳乳化溫度。

2.1.2 焊錫膏狀態

不同乳化溫度制備的4組焊錫膏狀態如圖2所示。

(a) (b)

由圖2可知，a～d號焊錫膏均呈現出不同程度的粗糙狀態，且無光澤。a號焊錫膏近乎砂化，無流動性，狀態最差；c號焊錫膏亦呈現出明顯的粗糙感，但具有一定的流動性；d號焊錫膏粗糙程度最小，且具有流動性。隨著乳化溫度的升高，助焊膏粒度變小，進而使得焊錫膏狀態得到一定程度的改善。

2.1.3 焊錫膏黏度

表4為乳化溫度改進后制備的焊錫膏黏度測試結果。

表4 黏度測試結果

由表4可知，焊錫膏黏度隨著乳化溫度的升高而升高，乳化溫度為 95 ℃(a)時焊錫膏黏度最低，乳化溫度為 110 ℃(d)時焊錫膏黏度最高。乳化溫度由 95 ℃ 升高至 100 ℃ 時黏度上漲 12 Pa·s，上漲率為8.7%；乳化溫度由 100 ℃ 升高至 105 ℃ 時黏度上漲 10 Pa·s，上漲率為6.7%；乳化溫度由 105 ℃ 升高至 110 ℃ 時黏度上漲 4 Pa·s，上漲率為2.5%。通過黏度測試說明乳化溫度的設置對焊錫膏黏度影響顯著，乳化溫度升高使得助焊膏粒度變小，從而導致焊錫膏黏度上漲，但黏度上漲幅度在乳化溫度為 105 ℃～110 ℃ 時已趨于平緩。

2.1.4 焊錫膏潤濕性能

在顯微鏡下觀察焊錫膏在PCB板大焊盤上的潤濕情況如圖3所示。

(a) (b)

由圖3看出，a～d號大焊盤有部分印刷了焊錫膏的區域未被熔融焊料潤濕，焊點均有不同程度的回縮。助焊劑殘留大部分分布于焊點一側，且流至阻焊層上。因此說明a～d號焊錫膏的潤濕效果無明顯差異，且與乳化溫度的高低無明顯相關性。

2.1.5 焊錫膏耐干性

圖4為焊錫膏耐干性測試結果。由圖4可知，a、b號焊錫膏經高速離心后無流動性，嚴重砂化；c號焊錫膏粗糙無光澤；d號焊錫膏粗糙程度最小，且具有一定的流動性，整體狀態最好。因此，適當升高乳化溫度對焊錫膏耐干性有一定的改善效果。

(a) (b)

試驗通過對乳化溫度的改進，結合乳化溫度改進后助焊膏粒度、焊錫膏狀態、焊錫膏潤濕性和焊錫膏耐干性的測試結果，將 105 ℃ 選定為后續試驗的最佳乳化溫度。

2.2 結束溫度的影響

2.2.1 助焊膏粒度

不同結束溫度乳化工藝下制備的4組助焊膏(e～h)研磨前的粒度測試情況見圖5。

(e) (f)

由圖5可知，降低結束溫度(即延長乳化時間，e～h)試驗制備的助焊膏的粒度顯著變小，改善效果較升高乳化溫度明顯，絕大部分粒度在 50 μm 左右。隨著結束溫度的降低，助焊膏粒度逐漸變小，g和h號粒度無明顯變化。結束溫度降低(延長乳化時間)使得乳化過程中高速轉動的攪拌軸對物料的破碎程度提高，制備助焊膏粒度變小，但因在h號(40 ℃)結束溫度基礎上繼續降低溫度耗時長，故暫將結束溫度選定為 50 ℃。

2.2.2 焊錫膏狀態

圖6為降低結束溫度制備的焊錫膏的狀態。在最佳乳化溫度(105 ℃)和轉速不變的條件下降低結束溫度(e～h)，4組焊錫膏均有流動性，e號焊錫膏有輕微粗糙感，f～h號焊錫膏無粗糙感，更加細膩有光澤。

(e) (f)

升高乳化溫度和降低結束溫度均能對焊錫膏狀態起到一定的改善作用，兩種措施均能使助焊膏粒度變小，在經相同碾磨工藝碾磨后達到更好地粒度范圍，進而改善制備焊錫膏的狀態。

2.2.3 焊錫膏黏度

表5為結束溫度改進后制備焊錫膏的黏度測試結果。

表5 黏度測試結果

由表5可知，焊錫膏黏度隨著結束溫度的降低而升高，但漲幅較小；結束溫度從 70 ℃(e)降低至 40 ℃(h)時，黏度僅上漲 8 Pa·s，上漲率為4.8%；相鄰溫度梯度的黏度上漲緩慢，黏度上漲幅度在結束溫度為 50 ℃(g)～40 ℃(h)時已趨于平緩。

2.2.4 焊錫膏潤濕性能測試

由圖7看出，有部分印刷了焊錫膏的區域未被熔融焊料潤濕，焊點均有不同程度的回縮。助焊劑殘留大部分分布于焊點一側且流至阻焊層上，潤濕效果無明顯差異且與結束溫度的高低無明顯相關性。

(e) (f)

2.2.5 焊錫膏耐干性

圖8為焊錫膏耐干性測試結果。

(e) (f)

由圖8可知，降低出鍋溫度(編號e～h，即延長乳化時間)對焊錫膏離心后狀態改善較升高乳化溫度效果顯著，e、f號呈現出輕微地粗糙感，焊錫膏有流動性；g、h號焊錫膏均細膩有光澤且具有較好的流動性。

試驗通過對結束溫度的改進，結合結束溫度改進后助焊膏粒度、焊錫膏狀態、焊錫膏潤濕性和焊錫膏耐干性的測試結果，將 50 ℃ 選定為乳化工藝最終的結束溫度。

3 結論

通過對乳化工藝中乳化溫度和結束溫度的優化改進，制備出助焊膏和焊錫膏，對助焊膏的粒度、焊錫膏的狀態、潤濕性能和耐干性進行表征，得出如下結論：

1)升高乳化溫度和降低結束溫度(即延長乳化時間)均能有效減小助焊膏粒度，保證在相同碾磨工藝下碾磨后能夠達到更好的粒度效果。

2)升高乳化溫度和降低結束溫度均能改善焊錫膏狀態，焊錫膏狀態隨著乳化溫度的升高和結束溫度的降低變得更加細膩有光澤，結束溫度為 50 ℃ 時焊錫膏狀態達最佳。

3)升高乳化溫度和降低結束溫度對焊錫膏的潤濕性能無明顯改善。

4)升高乳化溫度和降低結束溫度對焊錫膏的耐干性有一定的改善作用。在選定最佳乳化溫度(105 ℃)的條件下降低出鍋溫度，使得焊錫膏離心后狀態由粗糙改善到細膩有光澤。結束溫度為 50 ℃ 時焊錫膏狀態達最佳，且對應焊錫膏離心后狀態正常。