电子辅料的选择与使用.docx

1、电子辅料的选择与使用电子辅料的选择与使用电子辅料的选择与使用第一章 引言1.1电子辅料的定义、范围但主要电子工业所使用的材料种类非常多，包括两大类:=、电子设备、仪器仪表以及元器件等所用的 主要组成材料，比如：半导体材料、陶 瓷材料、传感器材料等等，这类材料通 常叫电子专用材料，通称电子材料。1、另一大类材料则主要是电子装配工艺所 用的辅助材料，这类材料一般用量差别 很大，比如用量特别大的焊料、助焊剂、 胶、清洗剂等，也有用量较少的润滑油、这里我们要讨论或学习的主要是第二类材 料，即所谓的电子辅助材料，并且主要包括用量 大、且对电子产品的质量与可靠性影响大的主要 的几种产品：电子焊料、助焊剂等

2、。1.2电子辅料与电子产品的质量与可靠性随着电子信息产业的蓬勃发展，服务于电子组 装与加工的电子辅助材料的需求也急剧增长， 其 中最主要且用量很大的就是助焊剂、 焊锡丝、焊 锡条以及焊锡膏，这些材料的质量好坏与否对电 子产品的质量与可靠性有着及其重要的影响， 我 们在多年的电子辅料的产品检测与电子产品的 失效分析中发现，许多电子产品的早期组装失效 中，极大部分都是由于这些电子辅料的使用不当或辅料本身的质量指标不符合要求造成的， 这案 例非常多。当然还有一部分是产品设计缺陷、制 造流程控制等原因的不足引起的。第二章 助焊剂助焊剂是一种促进焊接的化学物质，其作用主 要是去除待焊接面的氧化物，改善焊

3、料对被焊接 面的润湿，从而形成良好的焊接连接。助焊剂的 质量和其与工艺的兼容性对良好焊点的形成有 着极其重要影响，因此，必须仔细分析产品的组 成结构与技术指标，深入理解其对焊接工艺带来 的影响，才能决定选用好助焊剂产品，同时也才 能尽快准确地分析焊接失效问题，找到解决焊接 不良的办法，以便工艺生产连续顺利的进行。2.1焊剂的成份组成助焊剂种类繁多，但其成份一般可包括：保 护剂、活化剂、扩散剂和溶剂，有的还可以添加 缓蚀剂或消光剂。1.保护剂保护剂覆盖在焊接部位，在焊接过程中起 到防止氧化作用的物质，焊接完成后，能形成一 层保护膜。常用松香作保护剂，也可添加少量的 高分子成膜物质，如酚醛树脂、改

4、性丙烯酸树脂 等，但会造成清洗困难。2.活化剂焊剂去除氧化物的能力主要依靠酸对 氧化物的溶解作用，这种作用由活化剂来完成。 活化剂通常选用分子量大，并具有一定热稳定性 的有机酸。活性剂含量增加，可以提高助焊性能， 但腐蚀性也会增强。因此，活化剂含量一般控制 在1%5%,最多不能超过10%。3.扩散剂扩散剂可以改善焊剂的流动性和润湿 性。其作用是降低焊剂的表面张力，并引导焊料 向四周扩散，从而形成光滑的焊点。常用甘油（丙 三醇）作为扩散剂，含量控制在1%以下。4.溶剂溶剂的作用是将松香、活化剂、扩散剂 等物质溶解，配置成液态焊剂。通常采用乙醇、 异丙醇等。2. 2助焊剂的作用原理221助焊剂的化

5、学作用焊剂的化学作用主要表现在达到焊接温度前 能充分地使金属表面的氧化物还原或置换，形成 新的金属盐类化合物。下面以常用的焊剂一松香 为例，说明焊剂的化学作用。松香是典型的有机酸类焊剂，其主要成份是 松香酸，约占80%。松香酸在仃0C，活性表现 得比较充分。如在进行铜或铜合金焊接时，氧化 铜和松香酸在加热条件下，生成松香酸铜（金属 盐），而松香酸铜受热分解，除生成活性铜外， 还可以重新聚合成松香酸。生成的活性铜可与熔 融焊料中的锡金属反应，生成铜锡合金，从而达 到焊接的目的。其他一切有机酸的化学反应与上述反应类似， 则一切有机酸和金属氧化物反应，所生成的金属 盐和熔融焊料反应，控制着焊料和被焊

6、金属的润 湿性，也表明焊剂去除氧化物的能力。2.2.2助焊剂的物理作用焊剂的物理作用主要表现在两个方面，其一， 改善电烙铁焊接时的热传导作用。因为焊接时烙 铁头和被焊金属的接触不可能是平整的， 它们之 间包裹的空气起到隔热物质的作用。施加焊剂 后，焊剂填充空隙，使焊料和被焊金属迅速加热，提高了热传导性，缩短焊接时间。其二，施加焊 剂能减小熔融焊料的表面张力。如共晶焊料的表 面张力为49Pa,用松香焊剂后，焊料的表面张 力可降到39Pa,而用氯化锌焊剂，表面张力可 降到 33.1Pa。2.3助焊剂的主要性能指标电子焊接使用的助焊剂的主要性能指标有： 外 观、物理稳定性、密度、粘度、固体含量（不挥

7、 发物含量）、可焊性（以扩展率或润湿力表示）、 卤素含量、水萃取液电阻率、铜镜腐蚀性、铜板 腐蚀性、表面绝缘电阻、酸值等。下面简要地对 这些技术指标进行解析，以方便根据这些指标分 析产品性能的优劣。一外观：助焊剂外观首先必须均匀，液体焊 剂还需透明，任何异物或分层的存在均会造成 焊接缺陷；二物理稳定性：通常要求在一定的温度环境 （一般545C ）下，产品能稳定存在，否则在炎热的夏天或严寒天气就不能正常使用；三 密度与粘度：这是工艺选择与控制参数， 必须有参考的数据，太高的粘度将使该产品使用带来困难；四固体含量（不挥发物含量）：表示的是焊 剂中的非溶剂部分，实际上它与不挥发物含量 意义不同，数值

8、也有差异，后者是从测试的角 度讲的，它与焊接后残留量有一定的对应关 系，但并非唯一。五 可焊性：指标也非常关键，它表示的是助 焊效果，如果以扩展率来表示，孤立的讲它是 越大越好，但腐蚀性也会越来越大，因此为了 保证焊后良好的可靠性，扩展率一般在 8092% 间。六卤素含量：将含卤素（F、Cl、Br、I ）的 活性剂加入助焊剂可以显著的提高其可焊性， 改善焊接效果，但如果含量过多则会带来一系 列的腐蚀问题，例如焊接后卤素残留多时会造 成焊点发黑、并循环腐蚀焊点中的铅产生白色 粉末，因此其含量也是一个非常主要的技术指 标，它是以离子氯的含量来表示的离子性的 氯、溴、碘的总和，由于检测标准不同可能有

9、 不同的表示含义，比如现行的IPC标准则是以 焊剂中的固体部分作分母，由于固体部分（即 不挥发物含量）通常只占液体焊剂的 10%以下，因此它的表示值看起来通常较大，而 GB或旧的JIS （日本工业标准）标准则以整个焊 剂的质量做分母，其值就相对较小。7水萃取液电阻率：该指标反映的是焊剂中 的导电离子的含量水平，阻值越小离子含量越 多，焊后对电性能的影响越大，目前按照树脂 型焊剂的标准要求，低固态或有机酸型焊剂大 多达不到 A类产品（JIS Z 3283 86）和 GB9491 -88规定的RMA类型产品的要求。随着助焊剂向低固态免清洗方向发展，因此最 新的ANSI/J-STD-004标准已经放

10、弃该指标，但在表面绝缘电阻一项指标里加严了要求。8腐蚀性：助焊剂由于其可焊性的要求，必 然会给PCB或焊点带来一定的腐蚀性。为了 衡量腐蚀性的大小，各种标准均规定了腐蚀性 的测量方法，其中铜镜腐蚀是测试使用时当时 的腐蚀性大小，铜板腐蚀测试反映的是焊后残 留物的腐蚀性大小，指示的是可靠性指标，因 此各有侧重，对有高质量和可靠性要求的电子 产品，必须进行该项测试，并且其环境试验时 间需10天（一般710天）。9表面绝缘电阻：一个最重要的指标就是表面绝缘电阻（SIR），各标准对助焊剂的焊前焊 后的SIR均有严格的要求，因为对用其组装的 电子产品的电性能影响极大，严重的可造成信 号紊乱，不能正常工作

11、，按 GB或JIS标准的 要求SIR最低不能小于1010Q，而J-STD-004 则要求SIR最低不能小于108Q，由于试验方 法不同，这两个要求的数值间没有可比性，对 于某些产品而然，其要求会更高。2.4助焊剂的有关标准在 1995 年制定 J-STD-O04（Requirements for Soldering Fluxes标准以前，国内外已经有许 多助焊剂的标准、技术要求和试验方法，例如： GB9491-88、JIS Z3197 86、QQ S-571、MIL F 14256以及IPC SF 818等，此外还有 适用于焊锡丝树脂芯焊剂的 GB3131 88与JIS Z3283 86等。这

12、些标准大多数是 80年代制定 的，有些适用范围比较窄，比如国标GB9491-88 是早期对松香型焊剂的要求标准，现在已不能适 应助焊剂发展的需求，如该标准中有规定固体含 量（不挥发物含量）必须大于15%这类令人无所 适从的要求等。为了适应电子工艺的发展，助焊剂也朝低残留、免清洗的方向发展，于是国内曾 经出现免洗型焊剂的试行标准，但该标准存在明 显的缺陷，比如给免洗焊剂的概念规定了如固体 含量、离子污染值（该参数与助焊剂使用的工艺 条件、PCB等有关，并非为助焊剂所特有的指 标）等具体的技术指标。因此，根据我们长期从 事助焊剂检测与研发的经验和分析， J STD 004是目前最适用的标准，但必须

13、熟悉该标准的 有关要求以便更好地根据该标准选择焊剂。2.5 J STD 004的特点与技术要求 2.5.1 助焊剂的分类（J-STD-004）J STD 004标准几乎包括了所有类型 的焊剂。对于J STD 004而言，没有不合格 的助焊剂产品，仅仅类别不同而已，这就给焊剂 的选用造成一定的困难。所以用户必须首先熟悉 该标准的分类方法以及每类产品的技术特点，然 后根据自己的情况做出最佳的选择。 J STD 004将所有焊剂分成24个类别，涵盖了目前所 有的焊剂类型。首先，该标准根据助焊剂的主要 组成材料将其分成四大类：松香型（Rosin、RO）; 树脂型（Resin、RE）;有机酸型（Orga

14、nic、OR）; 无机型（Inorganic、IN）。括号中的缩写字母为代 号。其次，根据铜镜试验的结果将焊剂的活性水 平划分为三级：L （表示焊剂/焊剂残留物的活性 低或无活性），M（表示焊剂/焊剂残留物活性中 等），H（表示焊剂/焊剂残留物高活性）；再根据焊 剂中有无卤素进一步细分为 L0、L1、M0、M1、 H0、H1，其中0表示无卤素，1表示有卤素。 助焊剂的分类如表1所示。表1 J-STD-004对助焊剂的分类焊剂（主要）组 成材料FluxMaterials ofComposition焊剂活性水平（卤素 含量）/焊剂类型FluxActivity Levels（% Halide）/ F

15、lux Type焊剂标识（代 号）FluxDesigna torRosinLow （0.0%）L0ROL0(RO)Low (2.0 %)H1ROH1Resin (RE)Low (0.0%)L0REL0Low (2.0 %)H1REH1Organic (OR)Low (0.0%)L0ORL0Low (2.0 %)H1ORH1Inorganic (IN)Low (0.0%)L0INL0Low (2.0 %)H1INH1表中各种分类是以焊剂中固体部分的主要组 成为依据的，比如焊剂的固体部分中以有机酸为 主，则该焊剂类型用OR表示。表中第二列为焊 剂的活性水平与焊剂类型，第三列则是焊剂的标 识，例如R

16、OL1焊剂表示该焊剂为松香型、低活 性、卤素含量低于0.5%。值得注意的是，该标 准的卤素含量表示方法与以前其他标准形式一 样但含义不同，这是由于测试方法不同所造成 的，本标准引用的测试方法基本来自IPC TM 650,其卤素含量是指卤素占焊剂固体部分的 含量，旧标准比如 GB9491或JIS Z3197 86等 则是指卤素占整个焊剂的含量，因此，用J STD 004标准规定的卤素含量常常比旧标准的规定 高得多，它们之间无法直接进行比较。根据以上 分类，则大部分旧标准中的 RMA焊剂相当于JSTD 004规定的ROL1类型焊剂；许多低固 态免洗焊剂属于ORM0（有机酸、中等活性、无 卤素）类型

17、焊剂；而大部分水溶性膏状焊剂则属 于ORH0类型焊剂。2.5.2活性分类与测试要求表2则是J STD 004规定的焊剂活性分类 的检测技术要求，同时也是当用户或供 应商指定焊剂标识或类型后检测合格与否的基 本依据。例如，对于表面绝缘电（SIR）, L0或L1 均要求焊接后（清洗和未清洗）应大于100M Q; 而H类型产品则要求清洗后达到该要求。此外，该标准与以前其他标准的明显不同是， 对水萃取液电阻率没有具体的规定。 笔者认为可 能是本标准的 SIR（表面绝缘电阻）测试方法（在 85 C、85% RH、DC50V下168h后直接在该环 境下测试）非常严格，其中包含了水萃取液电阻 率测试的目的与

18、要求的缘故。同时，根据笔者对 大量测试数据的分析发现，除了松香含量较高的 部分松香性产品外，很少有其他样品能达到原来 标准规定的基本要求（如RMA型需大于5X 104 Q cm）。所以，去掉该项要求是合理的，也适应 了焊剂发展的需要。此外，J STD 004规定的 SIR的合格值与一些旧标准规定的合格值 （如 RMA 1011Q ）相比小了很多，这是由于 J标 准引用的测试方法基本上来自IPC TM 650, 后者的测试条件与旧标准比起来严酷得多，新旧 标准之间的SIR值大小没有可比性。表2焊剂活性分类的测试要求焊 剂 类 型铜镜试 验卤素含量（定性）卤素 含量（定 量）腐蚀试验SIR必须大于

19、100MQ的条 件铬酸 银试 验（Cl, Br）含氟 点测 试（F）(CI,Br,F)L0L1铜镜无 穿透现 象通过通过0.0%无腐 蚀清洗与未清洗通过通过0.5%M0铜镜穿通过通过0.0%轻微清洗或1 M腐积性面0%透蚀 铜透蚀积过 nIJ 、r过 nIJ 、r较重腐蚀洗 清札过札过% O22. 6焊剂的选择2.6.1 J标准与传统标准的焊剂类型性能比较 为了更好地选择适合自己的焊剂，我们对传 统的焊剂分类方法划分的焊剂类型与 J STD 004规定的L、M、H各类型焊剂进行比较分析， 以便给用户一个更清晰的轮廓，表3就是它们之 间的分类比较表。由表中可看出，一个低固态免 清洗焊剂可能是L1

20、类型焊剂也可能是M0类型 焊剂，有些工艺线可以用REL1类型的低固态免 洗焊剂产品，而有些则不能用ORL1的低固态免 洗类型，显然J STD 004的分类更具有广泛 性，用活性与腐蚀性与卤素含量及主要材质来细 分焊剂类型，更有利于用户根据自己产品实际情况的选择使用。表3传统焊剂的分类与J STD 004的分 类比较序 号J STD 004分 类与之相当的传统焊剂分类1L0类型焊剂所有R类型焊剂2一些低固态“免洗”型焊 剂3一些RMA类型焊剂4L1类型焊剂大部分RMA5一些RA类型6M0类型焊剂一些RA类型7一些低固态“免洗”型焊 剂8M1类型焊剂大部分RA类型焊剂一些RSA类型焊剂9H0类型焊

21、剂一些水溶性焊剂10H1类型焊剂一些RSA类型焊剂11大部分水溶性焊剂与合 成活化焊剂2.6.2消费类电子产品的一般分类方法我们借用另一个J标准，即J STD 001C (电气焊接与电子装配的技术要求)中规定的有关 终端电子产品的分类方法。该标准根据主要功能 或性能的要求将电子产品分成三大类：第一类 (Class 1为通用电子产品，主要是普通的消费类 电子产品，如收录机、收音机等。第二类(Class 2) 为所谓专门、耐用消费类电子产品，包括对性能 与寿命均有一定要求但并非十分严格的产品，这 类产品要求在典型的使用环境条件下不能出现 早期失效情况，例如计算机、通讯产品与一些汽 车电子产品等。第

22、三类(Class 3则是高性能要求 的电子产品，包括那些需连续高性能和恶劣的环 境条件下使用、但在寿命期内又不能出现失效现 象的电子产品，例如军事用途产品、航空航天电 子产品以及用于救生系统的电子产品等。2.6.3助焊剂的选用虽然J STD 001B规定电子电气焊接工 艺中的焊剂必须符合 J STD 004的要求，但 没有给出如何从24种焊剂类型中选用焊剂的指 导意见，仅仅规定了第三类电子产品的焊接装配线只能选用 ROL0、ROL1、REL0、REL1以及ORLO类型焊剂，0RL1类型的焊剂不能用于免 清洗焊接工艺的要求。因此只有选定焊剂类型 后，各项指标的要求才能具体化和便于操作。首 先，助

23、焊剂用户必须自我决定焊接装配产品的类 别，然后，我们再根据长期进行电子产品失效分 析与焊剂检测的经验，向用户推荐根据表4来选 择的助焊剂产品。值得注意的是，电子装配焊接 工艺中一般不用无机焊剂，否则极易出现腐蚀与 漏电现象，造成电子产品早期失效。表4不同类型产品和工艺可供选择的助焊剂类电 子 产 品 类 别焊接后的清洗工艺中 可用的焊剂类型焊接后的免清洗工艺 中可用的焊剂类型Rosin (R0)Resin (RE)Organ ic(OR )Rosin (R0)Resin (RE)Organi c(OR)1L0,L1,M0,M1,H0,H1L0,L1 ,M0, M1L0,L1,M0,M1L0,M

24、02L0,L1,M0,M1L0,L1 ,M0,L0,L1,M0,L0,M03L0, L1L0,L1L0,L1L0表4所给出的建议反映的是一般情况，即按表 4的分类进行助焊剂产品的选用时，在通常条件 下不会出现焊接或产品质量与可靠性问题。如果 采取必要的措施后能保证满足焊接和产品质量 的要求，也可作出其它选择，例如第二类产品也 可使用水溶性的H0焊剂，只要能保证焊接和清 洗后无相关的质量问题即可。J STD 001B对 第三类电子产品规定其免清洗工艺装配不能使 用0RL1类型焊剂是有道理的，这是因为，如果 不用树脂或松香覆盖卤素残留物，就有潜在的腐 蚀性（即使这种残留物只有一点点）。所以免清 洗

25、焊剂是相对的，是对一定的电子产品而言的， 要专门制定一个免清洗焊剂标准意义不大， 比如要求免清洗焊剂的固体含量低于 2%就更没有理 论依据和实际意义，倒不如直接采用 J STD 004标准的做法，将焊剂分成 24种类别，根据 自己的电子产品的分类或要求来选用适合的助 焊剂。但是在作出选择时需要一定的经验， 因此 建议按表4的方法选用焊剂。当焊剂类型确认以后，委托有能力的、独立的 第三方机构进行测试，鉴定该种产品是否符合所 选定焊剂类型的技术要求，合格后方可进行试 用；并经焊接质量与可靠性测试合格后， 方可初 步确认供应商及其助焊剂产品，这是所谓“技术 米购的基本步骤，当然技术米购还包括供应商

26、的供货能力与品质保证方面的认证等等。2. 7助焊剂选用的其它考量上述方法并非尽善尽美，当上面所说的选用 方法和步骤不能满足所有要求时，需要做些其它 的考量和补充，比如焊剂还可按焊接后焊点的外 观来分类，分成光亮型和消光型，有些 PCBA的版面较大，焊点很多，为了易于检查焊点的外 观质量，通常选用能消光的助焊剂。此外，焊剂 的使用还受所用设备的影响，例如，如果使用焊 剂的方式用喷雾的方法，则不能用固体含量过高 的焊剂，否则极易造成喷嘴的堵塞，以致喷雾量 下降，最后影响焊接效果。相反，施加助焊剂使 用发泡法的设备，如果使用的助焊剂的固体含量 太低，则会影响发泡的效果，使得要焊接的PCB 版面助焊剂

27、喷涂不均匀，最后也会影响焊接质 量。所以，助焊剂的选择与使用的一般步骤为：一、 所需装配的电子产品的类别确定；二、 根据本文表4的方法初步确认所用助 焊剂的类型；三、 结合本文2.5款进行全面的考量进一步 选定助焊剂的类型；四、 客观抽样委托第三方机构进行检测评 价；五、 工艺试用试验，对焊接质量进行评估；六、 应商供货能力与品质保证措施现场认 证。第三章焊料在焊接时凡是用素使二种或二种以上金属连接成为一个整体的金属或合金靈称为焊 斛。按弑组成成井焊料可分为锡-蛰焊料、银焊料和钢澤料:按其熔点焊料又可分为软辉 料（熔点在斗50圮以下）和硬焊斛熔点高于450t）c在电子设善装联中常用的焊接材斜是

28、 鬻-蝸系焊料亠主要形式为波疇畀匣用最蜀的焊栩条口3.1無-铅聚澤料的特性U）在合金学的锡-铅系焊料狀蓊图（如图1 ）中我们可以看抽当镭含量竟 61.9%.铅含时为镭铅合金的共晶点（必点人达到这样锡带比的共晶合金具有图1 锡一铅焊料狀态图（柑图）罐优异的特性*它熔点低、熔融和凝囲过程简零，流动性好，因就非常适含用作焊料通常称 为共晶焊料口由于锡铅比处在共晶点附近的焊料的焊接性能是堆优良的，斯以在实际使用中，一般采 用锡含量为60%-63%.铅含量为40% -37%曲共晶焊料，即牌号为Sn60Pb40（含量 59%-61%）. Sn63?b37（锡含量&3%）的锡铅合金。对于较高档的电子产品最好

29、选用含锡 就为出的焊料因为在实际焊接中，焊料向母材的扩散属选择性扩散貝有焊料成分中 的锡向母材扩敞，而铅是不扩散的，所以镐的消耗蜃大于铅的消耗量，圉此，选挥含鬻餐稍高 于共晶点的Sn63Pb37焊料更有利于维持锅槽内悍料的锡铅比接近共晶点。（2熔点；在合金学的镉-铅擴焊料状态图中可以看出，共晶焊料的熔点量低点为 1甜乜，随着锡-铅比例的变化，堀点逐渐升高口焊料熔点降低可减小对元器件的热冲击并节 约能源。3）机械性能；电子产品在运输和使用过程中不可避免地要受到廉动冲击应力的作用* 因此要求焊接点宓須具有一定的机械强度。处裡共晶庖附近的锡铅焊料的抗拉强度和剪 切强度为堆高尸分别为5. 36kg/mm2和3.47ke/mm2左右，而且焊接后会变得更大而非共 晶焊料的抗拉强度和剪切强度均下降为5kg/mma和3kg/mmz以下（4）表面张力和粘度*从獰接润湿的角度出发，我们希望焊料的表面张力和粘度梆较 小有利丁焊