无铅助焊剂助焊性能的可接收标准

1、无铅助焊剂助焊性能的可接收标准罗道军 刘子莲信息产业部电子第五研究所（中国赛宝实验室） 510610 广州，luodj摘要 本文通过对标准助焊剂、有铅助焊剂、无铅助焊剂在不同条件下扩展率与润湿性的测试与对比分析，研究了无铅焊接用助焊剂与有铅助焊剂助焊性能的异同，并结合有铅助焊剂的标准，给出了建议无铅助焊剂助焊性能的可接受标准和合格依据。本文的研究将给制定新的无铅焊接用助焊剂标准提供了很好的依据。 关键词 无铅助焊剂 助焊性能 扩展率 润湿时间前言由于各国在电子电气领域的环保法律法规的影响以及市场竞争的推动，含有包括铅在内的六种有害物质的材料将被禁止或限制在电子制造领域中使用，因此，目前世界范围

2、内的电子制造正从传统的有铅工艺如火如荼地向无铅工艺转换。而无铅焊料的高熔点与低润湿性的特点导致了无铅工艺实施的许多困难，高熔点可导致焊接温度的升高，并将可能导致元器件与PCB等材料的热损伤；而低润湿性能将导致大量的润湿不良和焊点缺陷，进而导致组装的电子产品的可靠性问题，为此必须综合考虑无铅焊接工艺过程中的各影响要素，以便使无铅过渡顺利实施。其中应对无铅焊料的低润湿性问题最有效的方式就是改善或提升助焊剂的助焊效果，以弥补有铅焊料向无铅焊料转换而导致的润湿性下降。但是目前尚无统一的无铅助焊剂的国际标准或工业标准，如何评价无铅助焊剂的助焊性能以便选择和保证符合使用要求的助焊剂产品就成了业界棘手的技术

3、问题。本文将就这一问题展开研究，通过比较有铅、无铅助焊剂助焊性能的异同，来探讨评价无铅助焊剂的助焊性能的新方法以及合格判定的依据。1 试验方法与原理按照以前一贯通行的方法，表征助焊剂的助焊性能的参数主要有两个，即扩展率与润湿时间。在使用锡铅焊料的时代，测试这两个参数的方法主要按照国家标准GB94911、日本工业标准JIS Z31972、JIS Z3198-43、国际电工委员会标准IEC61189或美国IPC标准J-STD-004A5，具体的测试方法均基本一致。但在使用无铅焊料后，其测试过程中使用的标准焊料（Sn60Pb40或Sn63Pb37）和温度（235）均不再适用，而这两个影响因数对结果的

4、影响又非常关键。另外，目前在无铅工艺中广泛使用且及可能取代锡铅共晶焊料的无铅焊料就是锡银铜（简称SAC）合金，其典型合金比例为Sn Ag(34) Cu(0.50.7)。因此综合以上因素并参考现有的评估标准规定的方法，设计试验方案如下：标准合金为Sn96.5Ag3.0Cu0.5（SAC）和Sn63Pb37，扩展率试验使用的标准铜板参照标准JIS Z3197的方法制作，润湿时间测试使用的标准铜片参照标准JIS Z3198-4的方法制作；润湿测试使用日本利士科（Rhesca）的SAT-5100润湿天平。一组在原来标准焊剂（25松香75异丙醇）6的基础上通过调整二乙胺盐酸盐的含量来改变其助焊性能的助焊

5、剂（见表1），该组助焊剂的活性覆盖了电子组装常用的活性系列；另外随机收集一组目前使用的无铅助焊剂（见表2）进行对比评价。扩展率与润湿时间测试的原理分别见图1和图2。表1 标准助焊剂样品描述 卤素含量（以Cl计，wt）序号S-1S-2S-3S-4S-5焊剂组成（wt） J-STD-004A活性水平分类 松香：25，异丙醇：75 松香：25，二乙胺盐酸盐：0.15，异丙醇：74.85 松香：25，二乙胺盐酸盐：0.39，异丙醇：74.61 松香：25，二乙胺盐酸盐：0.80，异丙醇：74.20松香：25，二乙胺盐酸盐：1.60，异丙醇：73.401. S-1、S-2与S-3焊剂是传统的标准焊剂；备

6、注 2. 卤素含量GB9491是以整个助焊剂为分母来计算的，而J-STD-004A则是以焊剂中的固体部分为分母来计算的。表2 随机选取的几个典型无铅助焊剂描述编号1#2#3#4#5#备注 组成特征 活性水平（GB9491） 活性水平(J-STD-004A) 低固体含量低固体水基中固体含量中固体含量中固体水洗本表中所列助焊剂由*公司提供，并且均已经在无铅工艺上使用，实际的焊接效果（助焊性能）良好。1.施加焊剂；2. 放置标准焊料（焊环或焊球）并加热20秒；3.冷却后测量焊点高度h扩展率（Dh）/D×100（D标准焊球的直径）图 1 助焊剂的扩展率测试原理图2 润湿性评价测试原理（不考虑

7、浮力）2 结果与讨论2.1 扩展率试验首先使用标准焊剂S-2在不同的测试温度下进行扩展率测试，以找到无铅助焊剂最佳的扩展率评价测试温度，测试的结果见表3。由于本文使用的SAC焊料的熔点温度为217，按照通常有铅焊接的做法，测试的温度一般以在熔点的基础上增加50为限，但考虑到测试的温度要低于实际使用的焊接温度为宜，因此在此范围内选取三个测试温度，分别为245、267与275。从表3中的测试结果发现，在此温度范围内扩展率不敏感，温度增加对扩展率的贡献不大，但275通常是波峰焊组装的极限温度了，而245又距离熔点太近，因此建议在进行实际的助焊剂扩展率评价时，选用260±5为佳。如果在较低的

8、温度条件下有合格或满意的扩展率，通常在实际较高的温度下的组装焊接工艺中可获得满意的焊接效果，当然这一切需要元器件、PCB以及设备等多影响因素的配合。有铅助焊剂在不同温度下扩展率也不敏感进一步验证了此观点，有铅助焊剂扩展率的结果见表4。表3 无铅助焊剂扩展率的检测结果 焊接温度（）245267275备 注 实测值（）平均值 （） 76.2 76.6 76.9 焊料组成：Sn96.5Ag3.0Cu0.5，标准焊剂：S-2。表4 有铅助焊剂扩展率的检测结果 焊接温度（）235245260备 注 实测值（） 平均值 （） 87.3 87.9 87.8 焊料组成：Sn63Pb37，标准焊剂：S-2。随后

9、分别对SAC和Sn63Pb37焊料在267和235为测试温度的条件下，按照上述方法对五个标准焊剂样品进行了扩展率测试，测试结果见表5和表6。表5 标准助焊剂用于无铅焊料中扩展率的检测结果 标准焊剂 实测值（%） 平均值（%） S-1S-2S-3备 注表6 标准助焊剂用于有铅焊料中扩展率的检测结果 48.9 76.6 78.4 80.6 80.2 焊料组成：Sn96.5Ag3.0Cu0.5，焊接测试温度：267。标准焊剂 实测值（%） 平均值（%） S-1S-2S-3 77.2 87.3 88.7 92.5 94.6 备 注从表中的数据分析可见，5种标准焊剂都适用于有铅助焊剂，而且活化剂的量对扩

10、展率很敏感，但不加活化剂的传统标准焊剂S-1已经不适用于无铅焊接工艺了，扩展率甚至无法达到传统焊接所需的75以上的基本要求。同时我们也可以看到，传统的活性标准焊剂S-3的扩展率都不能达到80，高活性的RA类型以及接近RoH1活性的S-5焊剂也只有80左右的扩展率。上述结果还表明：同样的助焊剂在有铅与无铅的标准测试条件下，助焊性能以扩展率来表示一般都有10的差距。使用无铅焊料的工艺哪怕焊接温度提升到267以上， 4焊料组成：Sn63Pb37，焊接测试温度：235。与传统的有铅工艺的测试条件相比扩展率至少要有10的下降。特别值得一提的是，本研究所使用的标准焊剂均是高固体含量（25松香），通常使用高

11、固体含量的助焊剂都有较好的扩展率也就是助焊性能较高，而目前业界实际使用的大多数是免清洗的低固体含量的助焊剂。因此，在选用实际的无铅焊剂时，要求过高的扩展率水平已经不现实。为此，我们需要寻找扩展率与实际焊接效果的关系，通过实际的焊剂焊接效果来确定实验室测试评价的合理的扩展率合格判据。于是本文又选取了五个无铅助焊剂样品进行摸底评价，看看实际使用较好或可以接受的样品的扩展率水平如何，表7是它们的实际测试结果。 表7 典型无铅助焊剂的扩展率检测结果无铅焊剂（见表2）12345备 注 实测值（） 平均值 （） 76.9 66.5 80.8 80.7 76.2 标准焊料：Sn96.5Ag3.0Cu0.5，

12、焊接温度：267。从表7的数据可以看出，水溶性助焊剂通过这种扩展率来评价其助焊性能，其实际结果通常偏低（见2与5样品的数据），可能是助焊剂在测试过程中损失过快导致被焊面再氧化造成。并再次证明较高固体含量的助焊剂通常有较高的扩展率，见3与4样品的测试结果。最好的扩展率也就是在80左右，不会再像有铅工艺助焊剂那样常常有超过85以上的扩展率数据了。综合以上的试验数据，在本文所列的测试条件下，可以接受的无铅助焊剂的扩展率应该在70以上，最好是在75以上，方能确保助焊剂的助焊效果满足无铅的基本要求。过高的要求也不现实，低于70的扩展率的助焊剂则会带来过高的焊点缺陷率。2.2 润湿性能测试润湿性能的表征是

13、通过润湿时间和润湿力来实现的，它是通过使用润湿天平获得润湿力与时间的关系而获得的，这是助焊性能的另外一种量化表征方法。由于它与扩展率有密切相关性，因此基于扩展率测试的试验数据，本文只选取标准焊剂S-2进行润湿性测试，因为它的扩展率即使按照有铅焊剂的标准也是合格的，而在活性序列里，只要比其有更好的润湿性就应该可以接受了。测试时使用的条件是：标准焊料：Sn96.5Ag3.0Cu0.5，焊接温度：267，焊接端子：标准铜片，浸渍速度：5mm/s，焊接时间：50/-0.5s。平行测定五次获得的测试结果列入表8，代表性润湿力曲线见图3。表8 标准助焊剂润湿性测试数据 标准焊剂测试序号 T(mN)S-2

14、备 注To(s)t1-t0是零交时间，其它参数的含义请参阅图2与图3。图3 表5中测试序号为1的润湿力与时间的关系曲线从所获得的润湿性数据可见，在扩展率测试中结果为76.6的标准焊剂S-2，在同样的测试条件下，零交时间最多不超过1秒，这就是我们在评价无铅助焊剂的助焊性能时可以参考的标准。因为，在所有五个标准助焊剂中S-3S-5都应该具有比这更良好的助焊性能。但考虑到所使用的标准铜片的差异以及试验条件的差异，评判合格与否的标准应该还可以适当放松，但最多润湿时间不应该超过2秒。这也是IEC与J-STD-002B等标准4,7对元器件端子的可焊性的最低要求了。结论使用有铅助焊剂的评价标准已经不适应无铅

15、工艺的要求，评价无铅助焊剂的助焊性能或润湿性能，应该修改评价标准中的标准焊料、焊接温度以及可接受的合格判据。在评估助焊剂的助焊性能的时候，建议使用被业界广泛选用的锡银铜（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）合金为标准焊料，焊接温度控制在260267为佳，接收标准（合格判据）：扩展率至少为70以上，最好达到80；润湿时间不超过2秒，1秒以内最佳。以上结论可以作为工业界制定无铅焊接用助焊剂的标准时参考。此外，标准焊剂序列中的卤素含量的变化也应该引起制标工作的关注，无铅用助焊剂中常常需要添加适当的卤素才能保证润湿性的要求。致 谢本文的试验部分得到了本实验室黄妙青同志的大力协助，深圳唯特偶公司的张鸣玲高

16、工提供了部分试验的样品，在此作者一并表示衷心的感谢。参考文献123456国家标准GB/T 94912002 锡焊用液态焊剂（松香基） 日本工业标准JIS Z 319799 Testing methods for soldering fluxes 日本工业标准JIS Z3198-4：2003 Test Methods for Lead-free SoldersPart4:Methods for Solderability Test by a Wetting Balance Method and a Contact Angle Method 国际电工委员会标准IEC61190-1-1 Requirements for soldering fluxes for high-quality interc