武信 卢梦迪 秦俊虎 白海龙 王艳南

摘　要：

采用低熔点焊料合金对电子产品进行焊接是电子组装中降低能耗和节约成本的发展趋势。开发了SnBi-X 低熔点焊料合金用助焊剂，并制备了SB01焊锡膏。对该焊锡膏进行了坍塌、锡珠、扩展率、焊接性、SIR和BGA空洞率等测试，结果表明SB01焊锡膏可用于消费类电子产品组装。

焊锡膏主要应用于电子产品的焊接。目前市场上的焊锡膏以无铅的Sn-Ag-Cu系列和有铅Sn-Pb系列为主，其中Sn-Ag-Cu系列焊锡膏回流峰值温度为260 ℃左右，Sn-Pb系列为240 ℃左右，而Sn-Pb焊锡膏将逐渐被无铅焊锡膏代替[1]，因此有很多资料研究Sn-Ag-Cu系焊锡膏[2-4]。使用Sn-Ag-Cu系焊锡膏的致命弱点是合金熔点高于Sb-Pb系焊锡膏，导致组装时焊接温度上升。Sn-Ag-Cu系共晶温度为217 ℃，相比Sb-Pb共晶焊锡膏的熔点(183 ℃)高34 ℃，器件被限制的组装温度上限为240 ℃，这意味着Sn-Ag-Cu系焊锡膏比传统的Sb-Pb系焊锡膏的封装工艺对焊接设备、焊接工艺、电子元件及基板材料的耐温性能的要求更高。LED、LCD、散热器、高频头、防雷元件、火警报警器、温控元件、空调安全保护器和柔性板等电子元器件焊接中，要求加热温度不宜过高，多层次多组件的分步焊接时均需使用低温焊锡膏。

1 SnBi-X低温焊锡膏用助焊剂的开发

焊锡膏是将合金焊粉与助焊剂两部分混合搅拌而成的一种膏状混合物[5]。助焊剂是焊锡膏中重要的组成部分，助焊剂主要由活性剂、触变剂、松香和溶剂等组成。在焊接过程中，焊锡膏中的助焊剂发挥活性作用，有效去除焊盘表面的氧化物，增强焊料流动性，降低焊料合金的表面张力，增强焊盘与焊料间的润湿性，帮助完成焊接。SnBi-X 低温焊锡膏用助焊剂基本成分见表1。表中的物料按照特定的加料顺序和工艺可制成膏状助焊剂，然后与SnBi-X的焊料合金粉末按照质量比11∶89以特定工艺均匀搅拌形成SB01焊锡膏产品。

2 SB01低温焊锡膏性能评价

焊锡膏品质的优劣必须通过各项性能表征来进行评价，本文对SB01低温焊锡膏进行了黏度稳定性、锡珠、焊接性、坍塌和绝缘电阻等的性能测试，具体测试项目及标准见表2。

2.1 黏度稳定性测试

焊锡膏的黏度及其稳定性是保证焊锡膏能正常印刷的关键指标。同时，焊锡膏黏度稳定性越好，焊锡膏的使用寿命及保存寿命越长。使用黏度测试仪作为本次测试的设备，取测试温度为25 ℃，湿度 (RH)为40%，转子转动速度为10 r/min时的黏度值为焊锡膏的黏度测试值。测试方法为：焊锡膏搅拌完后进行初始黏度的测试，随后放置到0~10 ℃的冰柜内保存，后续每周进行一次测试，连续测试8周。SB01焊锡膏黏度稳定性测试如图1所示。可以看出， SB01焊锡膏在60 d内黏度值在170 Pa·s附近波动，趋于平稳状态。说明SB01焊锡膏有较高的黏度稳定性。

2.2 坍塌性测试

随着电子贴装元器件的尺寸的不断小型化及电路板集成电路(IC)细间距化，在焊接过程中，也要求焊锡膏的防坍塌性能越来越好。焊锡膏印刷坍塌后将导致细间距的焊盘连锡，从而发生短路。在JIS Z 3284标准中有两种模孔的器具，如图2所示，间距从0.2 mm到1.2 mm。按照标准的要求选用3.0mm×0.7 mm的模板对SB01焊锡膏进行了冷、热坍塌的测试，测试结果如图3所示。从图3看出SB01焊锡膏印刷成型边缘平整、无拉尖、缺损、桥连现象，在0.2 mm间距处冷、热坍塌都未桥接。

2.3 SB01焊锡膏锡珠测试

SnBi-X 焊锡膏与Sn-Ag-Cu系焊锡膏相比有一个致命弱点，即焊点周围容易出现黑圈和锡珠，图4是某公司的低温焊锡膏在氧化锆陶瓷片上焊接后的焊点，焊点周围有很多锡珠，并且焊后残留物中有明显黑色物质围绕在焊点的周边，形成黑圈。这说明该焊锡膏的抗氧化能力弱，焊锡膏中的合金粉易被氧化导致焊锡膏熔体内部存在氧化渣，部分焊锡膏脱离主体形成大小不等的小锡球。图5是SB01焊锡膏的锡珠测试结果，图5(b)图是焊点放大20倍的锡珠状态。从图5看出，SB01焊锡膏形成的焊点光亮，周边无黑圈、无锡珠，说明SB01焊锡膏的锡珠测试结果良好，满足公司内控及客户要求。

2.4 SB01焊锡膏扩展率测试

扩展率是焊料润湿能力的一个关键指标。在电子组装焊接中都会用到助焊剂材料，助焊剂的主要作用是去除焊盘母材的氧化膜，促进焊锡与母材的浸润能力以提高焊接性能。就焊锡膏而言，扩展率是表征焊锡膏焊接能力和润湿力的重要指标。图6是SB01焊锡膏按照JIS Z 3197标准进行扩展率测试的结果，经计算得出SB01焊锡膏的扩展率大于76%，满足标准要求。

2.5 SB01焊锡膏回流焊接性能测试

焊锡膏的焊接性主要是通过表面组装元器件的焊点可靠性来表征，使用回流焊机对SB01焊锡膏进行光信号处理器(OSP)电路板的回流焊接，回流焊接的温度曲线如图7所示。

焊接分为四个阶段。第一阶段是预热阶段时间约为60 s，本阶段温度上升的斜率小于2.5 ℃/s，升温太快会导致锡膏坍塌，产生锡珠。第二阶段是保温阶段，时间为60~120 s，时间过长会导致助焊剂消耗过多，产生润湿不良等缺陷；时间过短会导致助焊剂没有发挥作用，产生冷焊等缺陷。第三阶段是回焊阶段，回流时间约60 s，峰值温度190~225 ℃，回流时间过短和峰值温度过低会导致润湿不良或残余物过多；反之会产生焊点发暗、助焊剂碳化、过多的金属间化合物、板分层和元件开裂等问题。第四阶段是冷却阶段，较快的冷却速率有利于形成较细的晶粒结构，太慢的冷却速率会形成较粗大的晶粒结构，焊点的抗疲劳性差。合适的冷却速度有助于得到更光滑的焊点。

将SB01焊锡膏印刷贴件后进行回流焊接，焊接后观察焊点的饱满度、光亮度、QFN爬锡性。焊接的电路板如图8所示，有整块的电路和对应部位的局部放大图，从局部放大图看出焊点饱满光亮，爬锡性和润湿性优良，综合焊接性能良好。

2.6 SB01焊锡膏BGA空洞率测试

空洞是焊接中普遍出现且很难完全避免的现象，特别在BGA元件的封装过程中。空洞的存在将会影响焊点的导热导电性能和电信号传输等。在热循环过程中，空洞会产生收缩和膨胀的应力，形成应力集中点，产生裂纹，从而造成电子产品失效或可靠性降低的情况。所以电子厂家对空洞的要求比较严格，通常要求BGA空洞率小于15%。具体的空洞率根据电子厂家的实际产品结构及产品用途而定，近年来很多厂家要求BGA空洞率小于10%。而大多数焊锡膏的空洞率只能满足小于25%这一指标。本文对SB01焊锡膏进行了0.5 mm间距 BGA和0.8 mm间距BGA空洞率测试，图9所示为使用SB01焊锡膏在回流焊后BGA剖面图，图10是BGA空洞的X-ray图片，测试结果SB01焊锡膏在焊接BGA锡球的空洞率较小，平均空洞率为5%～8%。

2.7 SB01焊锡膏焊后表面绝缘电阻测试

焊锡膏的焊后表面绝缘电阻(SIR)是涉及电子组装产品电气安全性能的一个重要指标。SIR通常用来作电路板的信赖性试验，其方法为在印刷电路板 (PCB)上将成对的电极交错连接成梳形电路(Pattern)，并印上锡膏，然后在高温高湿的环境下持续地给予偏压，经过一定时间的试验，观察线路间是否有瞬间短路或出现绝缘失效的缓慢漏电情形发生。SB01焊锡膏焊接电路板在40 ℃/93% RH条件下进行测试，连续168 h进行表面绝缘电阻监测，测试结果见表3，表面绝缘电阻试验结果符合J-STD-004中L类产品的技术要求(SIR值为1×108 Ω)。

3 结束语

降低成本和节约能耗是电子组装业界的发展趋势。电子组装中，焊锡膏是一种重要载体也是一种重要的焊接材料，降低成本并提高其性价比是当今市场的主要发展趋势。试验测试结果表明，本研究开发的SB01低温焊锡膏可以在消费类电子产品组装中推广应用。