锡膏中活性剂的作用及其性能

1、锡膏中活性剂的作用及其性能2009年11月第四期,ll全l3锡膏中活性剂的作用及其性能金霞(浙江省冶金研究院亚通电子有限公司杭州310021)摘要:详细闸述了活性剂在焊接中的作用,活性剂的研究发展及活性荆对锡膏性能的影响,并简述了活性剂的性能常规测试方法.关键词:锡膏;活性剂;性能;测试0前言随着电子产品向超大规模集成化,数字化,微型化方面发展,表面安装技术1(sir)成为电子组装的主流技术,而锡膏印刷对SMT焊接工艺性能至关重要,直接决定着电子产品的质量.锡膏是一种由焊料合金粉,助焊剂均匀组成的,动力学稳定的混合物,在焊接条件下与被焊表面形成冶金结合,完成可靠,一致的焊接.与焊接表面形成冶金

2、结合前,必须通过活性剂进行化学处理,否则焊接将无法实施J.l活性剂的作用锡膏中加入活性剂的目的是为了去除焊粉和被焊表面的氧化物,使焊接时的表面张力减小,增加焊料和焊盘金属的润湿性,提高可焊性,并且在再流焊时能防止氧化,直至形成焊点.活性剂的活性是指它与焊料和被焊表面氧化物杂质发生化学反应的能力,具有这种能力的物质有无机盐,有机酸及其卤化物,有机胺及其卤酸盐,肼及其卤化物,酞胺类尿素等.其中,无机活性物质由于其酸性太强,腐蚀性大,在电子行业一般不用;而有机活性剂的活性大小则与其本身结构相关.例如,含有羧基(一COOH)和胺基(一NH2,一NHR,一NR2)等活性官能团的有机物是很好的活性剂.除了

3、化学分子结构以外,有机活性剂的活性强度还取决于其周围介质的影响.例如,分子结构中与羧基官能团相邻的电子获取基,因其阴离子的稳定性而增强了羧基的酸性;反过来,电子释放基降低其酸性,这就是所谓的诱导效应.理想的活性剂应该具有这样的性质,即未加热时活性剂的活性很低;而加热后,其活性在加热的不同阶段逐步发挥.从动力学来说,温度和时间是两个最普遍的变量,焊剂在加热/再流焊过程中的活性稳定和活性时间的设计,常根据具体的工艺要求来设置.一般使用的有机活性剂包括:脂肪酸,芳香酸,脂肪肢及其衍生物,胺的氢氯酸盐以及胺的氢溴酸盐.有机酸和金属氧化物反应的通式如下:2RCO0H+MeO一(ncoo)2Me+H20有

4、机胺类活性剂多半是以盐酸盐或者溴酸盐形式使用,它们和金属氧化物反应的通式为:2RNH2?HX+Meo一2RNH2+MeX2+H2O无机盐类的活性剂可以还原金属氧化物以及形成金属氯化物,反应式为:4MeO+2NH4CI-3Me+MeCI2+N2+4H2OMeO+2NH4CI-MeCI2+2NH3+H20形成的氨可以再分解为氮和氢,而氢可以使金属氧化物还原:2NH3一N2+3H2MeO+2H一Me+n20被还原和置换出来的活性金属能促进焊料的扩展,因为它们可以改变液固相接触表面的吸附条件,减少表面张力和表面自由能,从而提高润湿性能7l.2活性剂的发展传统的锡膏多以大量的松香作为活性剂,也常采用腐蚀

5、性较大的酸类.但随着CFC的全面禁止,低残留,免清洗焊接技术成为一个有效的解决途14出全2009年11月第四期径.在达到助焊性能条件下,要求活性物质的腐蚀性要尽量的低,松香质量分数一般都在3%以下.这样低的松香含量,不可能像传统的松香类助焊剂那样把一些有害物质包裹起来,残留的活性剂不能完全溶解在松香中,有可能导致水解反应.反应产物和未用完的活性剂可能构成导电通道,同时可能产生腐蚀PCB或元器件等问题.研究发现,采用有机酸作为活性物质配以适量的松香效果最好.有机酸由于作用柔和,带来的腐蚀性极小,一般不会造成较大的危害.因回流焊接的工艺温度是一区间值,而单一物质无法提供这么大的区间范围,因此常将该

6、范围内几种分解温度不同的活性物质进行复配.复配后的活性物质在焊接过程中,一方面有充足的活性去除基板表面氧化物,另一方面在升温过程中又会逐渐分解,可大大降低残留量及焊后腐蚀的可能性.此外,为了调节焊剂的pH值,可在有机酸中加入有机胺,进行酸碱复配处理.酸和胺易发生中和反应,部分中和的产物,在焊接温度下迅速分解为有机酸和有机胺,而这两种物质皆为活化剂,所以改进后的焊剂活性反而有所增加.通常是在焊剂中加入三乙醇胺以降低焊剂的酸度.这种复配活化剂的活性起始温度较低,活性接近于有机卤化物【13.但该复配活性物质与松香的相容性不佳,而大多数助焊剂都会含有一定量的松香.因此,采用复配物与成膜剂丙烯酸树脂进行

7、反应改性,在不降低焊剂活性的情况下,减少了游离试剂的含量,改善了焊剂的稳定性,同时大大降低了焊后的腐蚀性.即在室温下,由于成膜剂的非极性保护作用使得包覆后的活性物质仍能保持惰性状态,表现为常温稳定,高温活泼的活性物质.在焊接过程中,不论是何种酸碱复配的活性物质,在初始加热时首先均从被包覆的成膜剂中释放出来,并很快发生分解生成相应的酸和碱,然后迅速与焊粉和母材表面的氧化物发生一系列的化学反应:RCooH:MNH2.D(一RCoOH+MNH2.HX(复配物首先在低温下分解)RCOOHRCOO一+H(酸电离出相应的H)MeO+2H一Me2+H2O(氧化物与电离的H反应)2MNH2?HX+MeO2MN

8、H2+MeX:+n20(氧化物与有机胺反应)式中,RCOOH代表R酸;MNH2?HX代表M胺.生成的MeX2及金属离子的羧酸盐溶解在溶剂中,与清洁的金属表面分离开来;随着温度的升高,钎料熔化后通过表面活性剂的帮助,很快润湿和铺展在已除去氧化膜而裸露的铜层表面,形成冶金结合,生成牢固和稳定的Cu6Sn5等化合物,从而顺利地完成焊接.改进后的焊剂体系,在不降低焊剂活性的情况下,焊后腐蚀性降至最低,同时提高了焊剂和焊膏的存储稳定性.焊剂的活性一般要在焊接过程中才能得到最大发挥,这就要求在选取活性物质时尽量与工艺联系起来,进行活性剂的焊接模拟,以便更好地把握反应活性剂的助焊能力引.3活性剂对锡膏性能的

9、影响在回流焊中,回流温度曲线分为快速加热区,预热保温区,焊接区和冷却区_8J.预热是焊接流程的重要环节,目的是活化活性剂,蒸发PCB上助焊剂溶剂,降低热冲击,均匀板面温度.良好的预热温度不但可降低焊接不良率,同时还可降低助焊剂的残留量9_.活性剂对钎料的钎焊工艺性能至关重要,其活化温度必须与预热温度相匹配才能发挥最大的活性,此活化温度常称为活化点.在活化温度以下,助焊剂呈惰性,在活化温度以上,助焊剂中活性剂的活性被激活,H被大量迅速电离,在很短的时间里迅速去除焊料和母材表面的氧化膜,为后期焊料熔化铺展和润湿母材打下良好基础.如果活化温度明显高于预热温度,则助焊剂活化性能差,并且不能牢固地附着于

10、焊盘上,起不到去除氧化膜与隔绝空气的作用,因此产生虚焊,桥接,拉尖等焊接缺陷.但若活化温度低于预热温度,因锡膏中的溶剂急剧挥发,产生"干涸",导致某些活性组元丧失活化性能,助焊性能大大降低,焊料的润湿能力下降,流动性和扩展率降低,易出现漏焊与虚焊I1.只有活性剂的活化温度和预热温度相匹配,预热温度为助焊剂活化温度区间的上限而低于焊料的熔点时,既保证了助焊剂最佳的助焊效果,又消除了PCB板面及电子元器件在焊接过程中的热应力12l.2009年11月第四期锡膏中活性剂的作用及其性能15不同活性剂的活性有强弱之分,一般作为活性剂使用的有机酸主要有己二酸,癸二酸,水杨酸,苹果酸等.这

11、些酸有的溶解度较大,而活性较低,如苹果酸,水杨酸;有的活性大,但是溶解度低,在低温下容易析出,这就削弱了其活性的发挥,也导致焊剂整体不均匀,如己二酸,癸二酸.另一种常用的活性剂是胺盐,主要是胺与氯化氢,溴化氢反应生成的盐.由于含有卤素,所以少量的胺盐可以发挥很大的活性,迅速提高焊锡膏的润湿性,而且胺盐溶解度比较大,不存在析出的问题.但是卤素具有较强的腐蚀性,如果含量较大,残留的卤素会对电路板造成腐蚀,必须限制其含量4活性剂的性能测试方法理想的焊接要求活性物质在焊料熔化前,可将焊料和金属基板上的氧化物去除或者还原,促进焊料的润湿,保证焊料熔化后两种新鲜的金属可以直接接触,从而顺利完成焊接.焊接完

12、成后要求其残留物可以完全挥发或者活性大为降低,在大气环境下保持惰性且无腐蚀.活性剂的性能测试一般通过其配制的锡膏来实现.测试方法通常包括以下几种.4.1扩展率的测试目前的标准如GB9491,JISZ3197和Jr5Z3198等测试时,均是在标准铜片中央放上制备好的焊料环,再往环中滴加约0.1ml的活性剂(或先滴加活性剂然后再放置焊料环),然后将该试件置于设置好焊接温度的炉锡表面,放置20s后取出,冷却后用溶剂清洗掉残留物后测量焊点高度(h).扩展率(s)的计算如下:SR=(Dh)/D×100%式中D为假设与所用的焊料环等体积的焊料球的直径,即D=1.24V.V:m/0m为焊料环的质量

13、,p为焊料环的密度.4.2焊料球的测试焊料球是残留在电路板表面上的球形焊料小颗粒,可动的焊料球随时有可能引起金属导体短路,造成恶性质量事故.在规定的实验条件下,检验焊膏中的合金粉末在不润湿基板上融合为一个小球的能力,可确定焊膏的再焊流性能,以及是否有飞溅现象.每个焊膏点熔化后,分别形成单一的焊料球,任一焊料球旁边都不出现一个以上独立的小焊料球才是最佳的焊膏.4.3腐蚀性的测试焊接过程中,焊剂中的有机酸与被焊材料表面的氧化物生成盐,从而清洁了金属表面,起到助焊作用.但有时焊剂中的残留酸会与金属表面继续发生化学反应导致腐蚀作用.为了选择或合成合格的焊膏,我们必须对其腐蚀性能进行测试.根据国家标准,

14、在处理的铜片上回流焊膏,制成实验片.实验片在规定的加湿条件下放置,通过焊剂残渣的变色与空白实验片比较,目视评价铜板有无腐蚀.4.4粘附性实验粘附性即粘性,是指将表面安装元件贴放之后,在再流焊之前,焊膏使元件固定的能力,即焊膏对基板的附着强度.但是应该注意,焊膏的粘附力带有强烈的时间概念,必须在规定的时限内进行测试,否则粘附性必然变差.实验中焊膏的粘附性是按以拉脱某一已知焊膏量与人造工具夹之间的粘力,或用以拉脱某一已知焊膏与印刷的焊膏印记之间的粘力予以确定的,以牛顿(力)为衡量单位.4.5润湿性试验人们己知,焊膏中含助熔剂有利于焊料的铺展并形成焊接点.这主要取决于它的活性程度.如果铺展性太强,容

15、易因焊料合金粉过于铺展而造成焊点桥接.如遇到"过热"的工作条件助熔剂又会留下残渣难以清洗.因此,再流焊接工艺中,要求助熔剂具有最小必须的铺展性且易于清洗.不同的活性物质对焊接基材的润湿性有差别,宏观上的表征就是活性物质在基材上面的润湿角有所不同.润湿角越小,润湿力越大,说明这种活性物质对基材的润湿性越好,作为活性剂所制备的助焊剂的扩展性高,可焊性好.5结语对于助焊剂的研究重点是寻找高活性,低腐蚀的活化剂.传统的活化剂为了提高活性,均加入了卤盐,不符合无卤发展要求.而有机酸酯,酰胺类化合物因常温下性质温和,高温下通过催化剂的作用能快速分解成高活性的酸,已成为目前相关科研人员研

16、究的重点.16出全2009年11月第四期杭钢转炉DM740O下渣检测系统郑良峰潘华国王俊国(杭州钢铁集团公司转炉炼钢厂杭州310022)摘要:介绍DM7400下渣检测系统在杭钢转炉上应用,简述了该检测系统工作原理,系统功能等.该系统可提高挡渣操作准确度和及时性等.关键词:DM74下渣检测系统;挡渣;智能;图像实时监控O前言DM7400系列转炉下渣在线检测系统是一套集红外远距离成像和图像实时处理技术为一体,用于转炉出钢过程实时钢渣含量检测的高精检测系统.该系统用于转炉出钢过程的实时监控,并通过DM7400系统后端智能软件进行处理获得实时钢渣含量,在含量超过预设限定时,通过报警通知操作人员进行挡渣

17、操作.DM7400也支持同自动挡渣控制系统的连接,提供精确钢渣百分含量数据.使用该系统可以提高转炉下渣检测的准确性和及时性,从而提高钢水的清洁度和合金收得率,减少钢水回磷,回硫,并使钢包内渣层厚度稳定,减少铝添加剂消耗,从而提高钢产品质量,节约炼钢成本和人员成本.1工作原理DM7400系统由红外摄像系统,智能图像分析处理系统,控制系统/单元,操作台几个主要部分构成.其工作原理见图1.参考文献1袁康敏.SMT生产过程中有关问题的探讨J.北京:电子工艺技术,20o6,26(1):41432丁黎光,吴德林,丁伟.SMT激光再流焊传热中几种效应的研究J.激光杂志,2OO6,27(1):81823石东棍

18、.SMT产品的设计与生产J.北京:电子工艺技术,2O05,26(6):3263294史建卫,何鹏,钱乙余,等.焊膏工艺性要求及性能检测方法J,电子工业专用设备,2004,34(12):19255史耀武,夏志东,刘建平,等.绿色无铅焊料在电器制造中的应用J.电器制造商,2002(10):60636杨剑,吴志兵,黄艳,等.无铅焊膏研究进展J.化学研究与应用.2OO6,18(5):4724787徐聪.手动植球与RMA'焊膏的研制.'硕士学位论文,2002(6):31328I-IidekiTakagi,RyutaroMaeda,TadatomoSuga.wrscalespontaneousbondingofsiliconwafersbyargonbeamsurfaceactivationatroomtemperatureJ.SensorsandActuatorsA,20o3(1o5):98l029黄腾超,沈亦兵,侯西云等.室温si一玻璃直接键合技术研究J.光电子?激光,2O04,15(5