SMT焊膏的基础知识介绍

PCBA

焊膏的性质:

焊膏是一种匀质混合物, 实质上是由处于浓缩焊剂载体的金属粉颗粒组成, 制作金属粉末和膏剂配方的工艺步骤大多数属于专利性质. 但一般是把具有所需成分的熔化焊料在旋转的轮上迅速冷却, 形成微小焊料颗粒. 为使焊膏中金属保持化学上的干净, 金属表面的氧化物是非常低的, 过量的氧化物将严重影响产品的性能, 导致产生焊球. 该工艺过程在惰性环境中进行, 以便尽量减少颗粒的氧化.

焊膏在焊接I型(完全表面安装)和II型(混合)表面安装部件中起着多重关键作用. 由于焊膏还包含有效焊接所需的焊剂, 故无需像插装部件单独加入焊剂控制焊剂的活性和密度. 在进行再流焊接期间, 焊剂在表面安装组件的贴放和传送期间还起着临时的固定作用. 显然, 正确选用焊膏对于生产无缺陷的可靠表面安装部件是十分重要的.

PCBA

焊膏的成分(有铅工艺常用):
63Sn / 37Pb:  熔点: 183℃温差0℃. 广泛用于表面安装和一般电路组装的锡---铅焊料, 成本低和结合性好, 由于析出率高, 故不推荐用作银和金的焊接.
62Sn / 36Pb / 2Ag:  熔点: 179℃温差0℃. 含少量银的锡---铅焊料使银导体和银引脚的析出最小, 不推荐用于金. 3701 (62/36/2) 是强度最高的锡---铅焊料.
为了将塑料表面安装组件焊接到FR-4基板上(环氧树脂), 目前广泛使用的锡---铅焊料(63Sn / 37Pb)或锡---铅---银(62Sn / 36Pb / 2Ag)焊料.

PCBA

金属含量:
对于给定焊膏的厚度, 金属含量对再流焊焊料厚度的影响
金属含量度%        厚度 (英寸)湿润焊膏        再流焊
90                                 0.009                     0.0045
85                                 0.009                     0.0035
80                                 0.009                     0.0025
75                                 0.009                     0.0020
焊膏中的金属含量决定了焊料脚焊缝的尺寸, 脚焊缝的尺寸随金属所占百分比的增加而增加, 但在给定的粘滞度下, 焊料桥接的趋势也随金属的含量的大而增大, 金属含量较高将再流焊焊料的厚度较大. 如表中表明, 再流焊的最终厚度可能从厚度的50%(90%金属含量) 变化到焊膏厚度的22%(金属含量75%). 因此, 只要每批焊膏的金属含量有微少的变化, 对焊的质量就可能有显著的影响. 例如:对于相同的焊膏厚度, 金属含量变化10%, 就可能使含量过多变为焊料不足.
在通常情况下, 用于表面安装部件的焊膏含88%~90%的金属.

PCBA

颗粒的尺寸和形状;
金属粉末颗粒的形状决定了粉末的氧化物含量以及焊膏的可印刷能力.
含有不规则形状粉末的焊膏易堵塞丝网和模板.
印刷工艺中会遇到含有颗粒直径大, 易于堵塞丝网和模板的粉末颗粒的焊膏, 另一方面, 粉末颗粒越小的焊膏其印刷质量会得以相应的提高. 但是随着焊膏的颗粒的变小, 其表面积也就成倍的增加, 增大了表面的氧化程度, 同时也增大了焊接难度, 在再流焊期间容易形成焊料球.
一般焊料粒子直径约为网板开口尺寸的1/5, 对细间距0.5mm的焊盘来说, 其网板开口尺寸在0.25mm, 其焊料料子最大直径不超过,0.05mm, 否则易造成印刷时的堵塞, 一般应选用0.025~0.045mm.
助焊剂占焊膏的重量只有10%, 但却有着锡膏50%的容量, 所以影响相当大. 一般来说, 直接是 (1)松香、(2)活性剂、(3)黏度调和剂、(4)溶剂  这四种介质所组成的, 皆各有特性缺一不可.

PCBA

助焊剂的活化剂和浸润作用:
助焊剂是焊膏载体的主要成分之一, 与用于波峰焊接中的助焊剂相似. 大多数焊膏中助焊剂很像流体助焊剂, 事实上, 多数材料与高固体松香助焊剂相似, 与松香组份具有相同的功能焊膏. 助焊剂首要作用是防止焊料球的产生. 可以利用三种不同类型的焊剂, 即R焊剂(树脂焊剂) RMA焊剂(适度活化的树脂) 和RA(完全活化树脂) . RMA和RA焊剂中的活化剂通过除去氧化物和其它表面污物, 促使熔融焊料浸润到表面安装焊盘和组件端头或引脚上.
助焊剂的类型对组装的清洁度有直接, 在表面安装中, 由于组件和基板之间的间隙较小, 故焊剂被截留, 导致可行性问题. 由于这个原因, 故RMA焊剂一般是用在表面安装用的焊膏中. 具体地说, RMA焊剂有足够多有活化去清洗涂敷焊料或经电镀的焊盘和组件端头或引脚, 因而能使熔融的焊料去浸润这些区域. (对于锡清洗焊膏, 除了能少产生焊料球的品牌外, 一般都应谨慎,对等这里不光是焊后板的清洁度问题, 还有留在板子的焊料球. 另外, 覆盖金属表面的树脂不足, 再氧化更快,. 降低活化性, 焊料球更多、在可焊性不良的表面上的能力降低.

PCBA

溶剂和空洞的形成:
溶剂是焊料分解, 并将粘附我赋予焊膏中的金属粉末. 根据溶剂在环境条件下的蒸发速率, 可以控制焊膏厚度, 溶剂不能有吸湿性, 应有高的着火点温度, 具有有与活化剂和流变变性剂兼容.
控制焊料角焊缝所形成的空洞两个最的是焊膏中的溶剂和再焊温度分布. 再流焊期间形成的空洞不仅会降低角焊缝的强度, 而且由于空洞妨碍了热量从组件表面高效率地传送给基板, 故导致组件过热. 经再流焊后的部件的焊料脚缝内的空洞, 可通过对组件进行X-射线分析予以确定. 空洞的总面积占焊料脚焊缝总面积的百分数不大于10%.

PCBA

流变性质:
焊膏的流变性质---粘滞度(触变)、坍落度、粘性和工作寿命. 可以通过加入流变变性剂(也称为浓缩剂或辅助溶剂)来控制. 流体变形剂一般是高沸点溶剂. 因为它们在达到熔点的温度后还必须起作用. 在固化之后, 一定数量的高沸点溶剂被焊点截留, 因为没有足够的时间使这些变性剂完全蒸发.
焊膏是一种触变型流体当它受到的剪切力或霰变速率的作用发生时, 焊膏的粘滞度将随时间而减少, 变即它的结构逐步被破坏. 此外, 焊膏的粘滞度也随着上剪切力的增大而减小. 简言之, 当加上剪切力时(如使用涂刷器时)焊膏变稀. 但不加应力时, 则焊膏变稠. 这种特性对于印刷是十分需要的. 图所示, 焊膏将停留在丝网或模板空隙上方, 只胡当涂刷器在它上面产生应力时, 焊膏才会流动. 焊膏的触变性质意味着: 一量焊膏忆搅动过, 其流变需花费一定的时间, 紧接着的测定即使在同竺的条件下, 可能焊膏的流变性对温度的波是敏感的, 这一点.重要当然这就意味: 如果客户的工作环境得不到良好的控制, 印刷条件可能改变.
一旦焊膏沉淀在焊盘上, 涂刷器引起的剪切力消失, 焊膏回复到其高度粘的形式. 因此停留在焊盘上而不会流到电路板的示金属化的表面上. 剪切力之外, 颗粒尺寸和环境温度也焊膏的粘滞度. 因此剪切力或温度升高或尺寸减少(颗粒更细)时, 粘滞度降低的情况.
应当指出: 每次只有一个变量(X轴)对粘滞度(Y轴)的影响, 将几个因素合在一起的原因, 仅仅说明三个因素对粘滞度的影响相似.

PCBA

坍落度:
坍落度是指焊膏淀积到焊盘上之后散开的能力, 为了使焊接的效果良好, 焊膏的坍落度必须尽量小. 较高的室温会造成焊膏坍落, 特别是在高宽比较大的印制板上进行细间距印刷时. 坍落度与焊膏中金属含量的百分比有关, 但助焊剂常常是更重要的因素. 当仿产品在印刷时不会出坍边, 但它们在回流焊预热区内坍边肯定会发生. 控制坍落度最可行的方法是确定一个范围. 在这个范围内的坍落度无关紧要, 并且确保焊膏留在该范围内. 焊膏的过分坍落可引起桥接.
坍边(IIW/ISO标准草案):
1.        0.7  mm或1.5mm焊盘.
2.        冷坍边: 室温1小时.
3.        热坍边:  80℃20分钟.
4.        焊盘间没有出现桥接的最小距离.
工作寿命和粘性:
对于”寿命”的定义存在着些淆. 通常, 焊膏的寿命定义为印刷之前焊膏在丝网/模板上或在印刷之后焊膏在基板上不降低基流变特性的存留. 两种定义方式都可能是正确的. 但效果却不一样的. 在印刷之前, 焊膏在丝网/模板上可能存留的时间对我们并没有多大的帮助. 然而, 在印刷之后焊膏能够存留在基板上的是有用的数据资料, 它决定了贴片机贴放组件的最长时间. 因此”工作寿命”的一个再有用的定义是从打开焊膏容器时刻到焊膏再流动, 而其流变性质不变的经历的最长时间. 这包括印刷、贴放、烘干和传递所需时间的总和.
一般焊膏的工作寿命最短为3天, 但这只是原理上成立, 而大量经验证明, 为了达到最低次品, 尽管焊膏有很长的寿命, 一般在焊膏印后几小时就贴放上组件.
粘性是表面组件贴放之后, 但在再流焊之前, 焊膏使组件固定的能力, 焊膏的粘性是焊膏的寿命是否已经结束的标志. 如果粘性检查表明, 烛膏投入使用已超过了它的工作寿命, 则在贴放与再流焊之前的传递间就不可能用来固定组件.
在生产运行期间, 万一由于某种原因(例如倒班)而耽误了., 那么可以根据焊膏的粘性来决定是否必须更换丝网或电路板上的焊膏. 粘结性好且能保持足够时间的焊膏, 可组件贴装时减少飞片或掉片, 焊接前保持在正确位置上, 并能经受贴装转动时的震动或颠波.

PCBA

焊料球:
焊料球是残留在电路板非金属表面上球形焊料小颗粒(直径一般2~5密耳)约0.05~0.1mm焊料球, 尤其是可动的焊料球是一种对可靠性有害的物质, 在基板的寿命, 它们随时可能引起金属导体短路, 形成焊料球有以下两个原因:
1)焊料球是由焊膏很细小的粉末的颗粒引起的. 在焊料本身熔化之前, 焊剂熔化并流动时, 将焊料球从主焊料淀积外事走, 这特别容易发生在由于设计不当(丝网开口大于焊盘区)右对准不良, 而使灶膏淀积到焊盘区以外的情况下, 随后当焊料化时, 这些小粉末颗粒便脱离较大的焊膏淀积, 每个颗粒在原来的焊膏区四周变成为小焊料球. 小焊料球在主焊淀区周转的聚集称之为”焊晕”
2)如果焊料粉末颗粒表面上氧化层较厚, 使树脂焊剂和焊膏中的任何活化剂不足以将它除,去也会形成焊料球. 由于氧化物在焊接温度下不能熔化, 故它像焊料球那样被周围的无氧化物的已熔化焊料推向一旁, 以这种方式形成的焊料球一般比由第一种原因形成的焊料球要大, 这是因为存在着密度低于金属的表面氧化物.
焊料粉末颗粒会因贮藏不当,  或在再流焊之前焊膏在过分高的温度下烘烤而加速氧化, 焊料颗粒由于磨损或在将颗粒分为不同尺寸的过筛期间粉末颗粒表面相互磨损而生成氧化物, 也会造成氧化.
    焊膏形成焊料球的趋势可利用一个简单实验来确定: 将少量6~10密耳(0.2mm)焊膏图形通过涂刷器或网印淀积到像毛玻璃陶瓷或fr-4这样一类非金属基板上, 然后, 最好是利用与生产所使用的再流焊温度分布相近的再流焊温度进行再流焊. 所得到的焊料淀积应该采用目检. 如果淀积是一个表面光滑的、有光泽的大球, 则焊膏是合格的: 如果是一个或两个分立的焊球, 其直径不超过主体球的10%或直径不大于5(密耳), 也是合格的: 一圈焊料球(焊料球晕)则是不合格的.

PCBA

焊膏选用原则:
1)焊膏的活性可根据印制板表面清洁度而定, 对于锡清洗选用RMA级.
2)根据不同的涂敷方式选择不同粘度的焊膏, 粘度一般为100~300Pa ‧S, 且焊膏与焊盘间粘结力应大于焊膏与丝网间粘结力. (从印刷的观点来看, 中等程度的粘稠度是最适宜的, 低粘稠度的焊膏容易产生焊膏的坍边, 而高粘度的焊膏可能粘挂在网板上或不能多网板的.
3)精细间距印刷时选用球形细料度焊膏, 间距小于、等于0.5MM时, 焊膏颗粒尺寸应当在20~38微米之间.
4)良好可印刷性、流动性及触变性.
5)印刷后坍边小且放置时间长.
6)焊接时, 保证第一面焊膏熔点比第二面高30℃~40℃, 以防止焊第二面时, 第一面已焊组件脱落.
7)对锡清洗, 要用不含氯离子或其它强腐蚀性的焊膏.