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唯特偶小課堂 | 第二期:電子裝聯(lián)焊接材料介紹

唯特偶小課堂 | 第二期:電子裝聯(lián)焊接材料介紹

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開(kāi)篇小編先為各位讀者科普一下什么是電子裝聯(lián)技術(shù)。

電子裝聯(lián)技術(shù)是電子信息技術(shù)和電子行業(yè)的支撐技術(shù),是衡量一個(gè)國家綜合實(shí)力和科技發(fā)展水平的重要標志之一,是電子產(chǎn)品實(shí)現小型化、輕量化、多功能化、智能化和高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。

電子裝聯(lián)技術(shù)(Electronic Assembly)

電子或電氣產(chǎn)品在形成過(guò)程中產(chǎn)生電連接和裝配的工藝過(guò)程。

電子裝聯(lián)的過(guò)程

就是把電子元器件,無(wú)源器件,有源器件,接插件等按照設計的要求(裝焊圖或電原理圖),準確無(wú)誤地裝焊到基板上的指定焊盤(pán)上,并且保證各焊點(diǎn)符合標準規定的物理特性和電特性的要求。

 

電子裝聯(lián)的方式

插裝(THT)Through Hole Technology

表面貼裝(SMT)Surface Mount Technology

微組裝(MPT)Microelectronic Packaging Technology

 

在業(yè)內,人們經(jīng)常會(huì )把內容豐富的電子裝聯(lián)技術(shù)狹隘地概括為在板級電路的“SMT”內。電子裝聯(lián)工藝指的是“在電、磁、光、靜電、溫度等效應和環(huán)境介質(zhì)中任何兩點(diǎn)(或多點(diǎn))之間的電氣連通技術(shù),即由電子、光電子器件、基板、導線(xiàn)、連接器等零部件,在電磁介質(zhì)環(huán)境中布局布線(xiàn)聯(lián)合制成所設定的電氣模型的工程實(shí)體的制造技術(shù)”。后續的小課堂小編會(huì )給大家詳細介紹SMT,封裝電子元器件等相關(guān)知識。

下面正式進(jìn)入本期主題電子裝聯(lián)焊接材料的介紹。

 

電子裝聯(lián)用輔料按應用類(lèi)型可分為以下幾類(lèi):

一. 焊接材料

主要包括錫膏、錫線(xiàn),錫條,預成型焊片,助焊劑等。

二. 膠水類(lèi)

按用途可分為結構類(lèi)膠水、導熱類(lèi)膠水、防護類(lèi)膠水。

1. 結構類(lèi)膠水

包括:貼片紅膠、磁芯黑膠、黏結硅膠、元器件固定膠、加固硅膠、密封膠、灌封膠、瞬干膠、螺紋膠、熱熔膠和底部填充膠;

2. 導熱類(lèi)膠水

包括:導熱膠、導熱灌封膠、雙組分導熱膠、導熱硅脂和導熱膠黏劑;

3. 防護類(lèi)膠水

包括:三防漆、灌封膠、防撞膠等。

三、清洗類(lèi)

按用途可分為單板清洗劑、鋼網(wǎng)清洗劑、工裝清洗劑等。

四、膠紙類(lèi)

按用途可分為標簽紙、美紋紙、耐高溫膠紙、金手指膠紙等。

以下小編將重點(diǎn)介紹焊接材料部分。

 

01  錫膏 Solder Paste

錫膏(solder paste)是由合金粉、糊狀助焊劑以及其它的表面活性劑、觸變劑等加以混合而成的具有一定黏性和良好觸變特性的膏狀體。是一種均相的、穩定的混合物,在常溫下錫膏可將電子元器件初步黏附在既定位置上,當錫膏被加熱到一定溫度后,隨著(zhù)溶劑和部分添加劑的揮發(fā),合金粉的熔化,使被焊元器件與焊盤(pán)互聯(lián)在一起,經(jīng)冷卻形成永久連接的焊點(diǎn)。

合金是錫膏的主要成分,是影響錫膏質(zhì)量的重要因素,合金成分決定了SMT組件再流焊接溫度。表1列舉了常用的合金及其熔點(diǎn)溫度,其中有鉛使用最多的合金是Sn63Pb37和Sn60Pb40,無(wú)鉛使用較多的是Sn96.5Ag3Cu0.5。表2為不同合金系的優(yōu)缺點(diǎn),實(shí)際生產(chǎn)中根據不同的產(chǎn)品選擇合適的合金成分。

表1 不同合金及其熔點(diǎn)溫度

表2 不同合金系的優(yōu)缺點(diǎn)

IPC J-STD-005A根據合金粉末尺寸直徑的大小分類(lèi)如下表3所示,表中的類(lèi)型就是我們日常提到的“幾號粉”,其中3、4、5號粉最為常用,隨著(zhù)電子器件的逐漸小型化、精密化,6號粉的需求也會(huì )逐漸增加。但是需要注意的是合金粉的直徑越小,接觸空氣的氧化面積越大,氧化物也隨之增加了。由于直徑減小,顆粒之間的排列就會(huì )比較緊密,金屬的含量增加了,助焊劑相對會(huì )少些,對焊接時(shí)還原氧化物比較不利,容易出現焊接不良的現象,如錫珠、橋聯(lián)、冷焊等。

3號粉錫膏:適用于一般的電子元器件的焊接,如電阻、電容等。

4號粉錫膏:通常用于密腳IC等精密電子元器件的焊接。

5號粉錫膏:適用于一些需要高精度焊接的電子元器件,如微處理器、晶振等。

 

表3 占樣品質(zhì)量百分比-標稱(chēng)尺寸(單位μm)

 

圖1所示為SEM下的合金粉末的形貌圖像,球形的粉末更有利于提高印刷質(zhì)量。在相同質(zhì)量下,球形的表面積是最小的,表面積越小被氧化的可能性也就越小,對焊接越有利。

圖1 SEM下合金粉末的圖像

焊料合金粉末形狀應當為球形,最大長(cháng)寬比為1.25,由供需雙方協(xié)商確定。按照IPC-TM-650測試方法2.2.20測試時(shí),合金含量的質(zhì)量百分比應該在65-96%之間。金屬百分比應當在用戶(hù)采購訂單規定標稱(chēng)值的±1%以?xún)?。錫膏的測試項目包括金屬含量,粘度,塌落測試,焊料球測試,粘附力測試,潤濕測試等部分內容會(huì )在后續IPC J-STD-005A標準解讀一文中詳細介紹。

 

(1) 錫膏中助焊劑的組成

圖片

 

合金與助焊劑的常見(jiàn)比例,按體積比約為1:1,按重量比約為9:1。

 

(2)錫膏常見(jiàn)分類(lèi)
 
圖片

① 按合金種類(lèi)分:有鉛/無(wú)鉛

② 按合金熔點(diǎn)分:低溫/高溫

③ 按助焊劑成分:免洗/清洗

④ 按鹵素含量分:有鹵/無(wú)鹵/零鹵

 

(3)如何選擇錫膏

① 合金的選擇:

根據產(chǎn)品要求選擇合適的合金。

② 粉末尺寸的選擇:

根據鋼網(wǎng)開(kāi)孔尺寸或最小焊盤(pán)尺寸(3球、5球、8球原則,如下圖2所示)

圖2 3球、5球、8球原則示意圖

鋼網(wǎng)方形開(kāi)口,焊盤(pán)較窄一條邊的長(cháng)度應至少是錫膏合金球形顆粒直徑的5;

鋼網(wǎng)圓形開(kāi)口,焊盤(pán)直徑應至少是錫膏合金球形顆粒直徑的8;

印刷鋼網(wǎng)厚度則至少是焊膏合金球形顆粒直徑的3。

③ 助焊劑類(lèi)型的選擇:

根據PCB和元器件的情況及清洗工藝要求。

(4)選用錫膏時(shí)應注意的問(wèn)題

① 錫膏批次的一致性

錫膏黏度、金屬含量、合金粉顆粒尺寸分布情況等。

② 可靠性

焊接后產(chǎn)品的長(cháng)期可靠性。

③ 流變性

對印刷性能至關(guān)重要。

④ 鋼網(wǎng)壽命

溶劑揮發(fā),黏度變高。

⑤ 粘附性

保持元器件貼裝位置穩定。

 

02 助焊劑 Flux

助焊劑(flux)一詞源于拉丁文“fluere”即“流動(dòng)”(Flow in soldering)。金屬表面形成的氧化層在焊接中會(huì )妨礙焊接效果,通常要使用某些特殊物質(zhì)去除被焊材料表面的氧化物,起到助焊的作用,以達到良好的焊接效果。人們通常把這種能凈化被焊金屬表面、幫助焊接的物質(zhì)稱(chēng)為助焊劑。助焊劑是一種具有多重作用的混合物,它通過(guò)物理與化學(xué)作用影響釬焊過(guò)程,最終形成可靠的焊點(diǎn),是焊接工藝中最重要的輔料之一,在電子裝配工藝中直接影響電子產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

(1)助焊劑的作用

① 清除被焊金屬表面的氧化膜。

② 防止焊接時(shí)焊料和金屬表面的再氧化。

③ 降低液態(tài)焊料的表面張力,增強焊料的潤濕性能。

④ 使熱量快速傳遞至焊接區,從而能夠順利完成焊接。

 

圖 3 助焊劑的潤濕作用示意圖

 

電子焊接用助焊劑的主要性能指標包括:外觀(guān)、物理穩定性、密度、黏度、固體含量(不揮發(fā)物含量)、比重、酸值、可焊性(以擴展率或潤濕力表示)、鹵化物含量、腐蝕(銅鏡和銅板)、SIR(表面絕緣阻抗)、ECM(電化學(xué)遷移)等,部分相關(guān)的測試會(huì )在后續IPC J-STD-004C標準解讀一文中詳細介紹。

下面就這些技術(shù)指標簡(jiǎn)單進(jìn)行解析。

① 外觀(guān):助焊劑外觀(guān)必須均勻、透明,任何沉淀物的存在都會(huì )造成焊接缺陷。

② 物理穩定性:通常要求在一定的溫度環(huán)境(一般5℃-45℃)下,產(chǎn)品的穩定性要好。

③ 密度與黏度:這是工藝選擇與控制參數,必須有參考的數據,太高的黏度將給該產(chǎn)品的使用帶來(lái)困難。

④ 固體含量(不揮發(fā)物含量):表示的是焊劑中的非溶劑部分,實(shí)際上它與不揮發(fā)物含量意義不同,數值也有差異,后者是從測試的角度講的,它與焊接后殘留量有一定的對應關(guān)系,但并非唯一。

⑤ 可焊性:指標也非常關(guān)鍵,它表示的是助焊效果,如果以擴展率來(lái)表示,孤立地講它是越大越好的,但腐蝕性也會(huì )越來(lái)越大,因此為了保證焊后良好的可靠性,擴展率一般在80%-90%之間。

 鹵化物含量:將含鹵素離子(F-、Cl-、Br-、I-)的活性劑加入助焊劑可以顯著(zhù)提高其可焊性,改善焊接效果,但如果含量過(guò)多則會(huì )帶來(lái)一系列的腐蝕問(wèn)題。例如,焊接后鹵化物殘留多時(shí)會(huì )造成焊點(diǎn)發(fā)黑,并循環(huán)腐蝕焊點(diǎn)產(chǎn)生白色粉末,因此其含量也是一個(gè)非常重要的技術(shù)指標,它是以氯離子的當量來(lái)表示離子性的F-、Cl-、Br-、I-的總和。

⑦ 腐蝕性:助焊劑由于其可焊性的要求,必然會(huì )給PCB或焊點(diǎn)帶來(lái)一定的腐蝕性。為了衡量腐蝕性的大小,各種標準均規定了腐蝕性的測量方法,其中銅鏡腐蝕是測試使用時(shí)的腐蝕性大小,銅板腐蝕測試反映的是焊后殘留物的腐蝕性大小,各有側重。對有高質(zhì)量和可靠性要求的產(chǎn)品,必須進(jìn)行該測試。

⑧ 電氣性能:電氣性能最重要的指標是SIR(表面絕緣阻抗)和ECM(電化學(xué)遷移),各標準對焊前和焊后的SIR和ECM均有嚴格的要求,因為對用其組裝的電子產(chǎn)品的電性能影響極大,嚴重的可造成信號紊亂,不能正常工作。按照IPC J-STD-004C標準的要求測試圖形SIR測量值大于100MΩ。

(2)助焊劑應具備的特性

① 良好的焊接能力或化學(xué)活性,能夠去除母材和焊料表面的氧化膜,降低焊料的表面張力,防止再氧化等。

② 良好的熱穩定性,保證在焊接溫度下的活性。

③ 良好的潤濕性,對焊料的擴展具有促進(jìn)作用,保證較好的焊接效果。

④ 焊接時(shí)盡可能無(wú)錫珠和飛濺產(chǎn)生,盡可能不釋放有毒或有刺激性氣味的氣體。

⑤ 焊后不粘手,不易拉尖。

⑥ 焊后的殘留物(助焊劑中的難以揮發(fā)的成分和殘留的活化劑及因反應生成的金屬氧化物等)少且易清洗,對焊后材質(zhì)無(wú)腐蝕性、不吸濕、不導電不影響材質(zhì)的電性能,具有良好的電氣絕緣性。

⑦ 常溫下易存儲,性質(zhì)穩定。

⑧ 粘度和比重比焊料小,焊劑黏度大會(huì )加大潤濕擴散的難度,比重太大難以覆蓋整個(gè)焊料表面。

(3)如何選擇助焊劑

① 根據所需裝配的電子產(chǎn)品的類(lèi)別確定。

② 根據相關(guān)標準確認所用助焊劑的類(lèi)型。

③ 兼容性試驗,選擇能與其他輔料相互兼容的助焊劑。

④ 工藝試用試驗,對焊接質(zhì)量進(jìn)行評估。

⑤ 供應商供貨能力與品質(zhì)保證措施現場(chǎng)認證。

(4)選用助焊劑時(shí)應注意的問(wèn)題

① 化學(xué)活性滿(mǎn)足應用要求,能有效除去基體金屬和釬料表面的氧化膜。

② 對基體金屬助焊劑自身的潤濕性和漫流性要好。

③ 所用活性劑的熔點(diǎn)比釬料低,要先于釬料熔化前熔化,才能充分發(fā)揮助焊劑的作用。

④ 浸潤擴散速度比熔化釬料快,通常要求擴展率在80%-90%之間。

⑤ 黏度和密度要小,黏度大會(huì )使浸潤和擴散困難,密度大就不易充分覆蓋釬料表面。

⑥ 熱穩定性好,在常溫下儲存穩定。

⑦ 焊接時(shí)不產(chǎn)生焊珠飛濺,也不產(chǎn)生毒氣和強烈的刺激性氣味。

⑧ 助焊劑反應迅速。

⑨ 焊后殘渣易于去除,并具有不腐蝕,不吸濕和不導電等特性。

⑩ 焊接后不粘手。

 

0錫線(xiàn)(錫絲)Solder Wire

錫絲是由錫合金和助焊劑兩部分組成,助劑均勻灌注到錫合金中間部位。錫絲種類(lèi)不同助劑也就不同,助劑部分是提高錫絲在焊接過(guò)程中的輔熱傳導,去除氧化,降低被焊接材質(zhì)表面張力,去除被焊接材質(zhì)表面油污,增大焊接面積。在電子原器件的焊接中可與電烙鐵或激光配合使用,機器人焊接日漸成為焊錫絲使用的新趨勢,但目前仍以手工焊接為主。

錫絲主要包含有鉛錫絲和無(wú)鉛錫絲,主要區別如下:

錫的含量越高,熔點(diǎn)越低,流動(dòng)性越好,但是很軟;

錫的含量越低,熔點(diǎn)越高,流動(dòng)性越差,但是很硬。

(1)錫線(xiàn)特點(diǎn)

① 按照客戶(hù)需求定制助焊劑含量,線(xiàn)徑,合金等。

② 助焊劑分布均勻,錫芯里無(wú)斷助焊劑現象。

③ 良好的潤濕性、導電率、熱導率,易上錫。

④ 繞線(xiàn)均勻不打結,上錫速度快、殘渣極少。

(2)如何選擇錫線(xiàn)

① 焊接的對象

不同的電子元器件和材料。

② 焊接的要求

不同的電子產(chǎn)品和工藝,有鉛/無(wú)鉛。

③ 焊接的條件

焊接的溫度、功率、時(shí)間、環(huán)境等。

④ 錫絲的品質(zhì)

光滑、有光澤、無(wú)氧化、無(wú)發(fā)黑現象,繞線(xiàn)均勻不打結,助焊劑分布均勻,焊接時(shí)潤濕性好、焊點(diǎn)可靠、殘渣極少。

 

0預成型焊片Solder Preform

預成型焊片也叫預制片(Preform)是焊接材料的一種,由焊料合金與助焊劑組成,通過(guò)模具沖壓或激光切割成型的,預成型焊片可涂覆助焊劑,使得焊接潤濕效果更好。通過(guò)編帶包裝,如圖4所示,可使用貼片機進(jìn)行高速取/放。在應用中效率更高,經(jīng)濟性更強,適應批量化生產(chǎn)。

 

預成型焊片的特點(diǎn)

① 產(chǎn)品尺寸規格可定制,精確的控制合金與助焊劑的比例,并保持一致性。

② 包裝方式可選擇,盒裝疊放或編帶包裝,便于應用。

③ 助焊劑定量可控,類(lèi)型可選,低飛濺,低空洞特性,減少不良率。

④ 批量生產(chǎn),降低成本,適用性強,利用率高。

⑤ 可以增加顏色用以區分。

本期小編對電子裝聯(lián)焊接材料進(jìn)行了介紹,重點(diǎn)分享了錫膏、助焊劑、錫線(xiàn)及預成型焊片的基礎知識。包括定義、組成、分類(lèi)、如何選用等常見(jiàn)問(wèn)題,希望大家能有所收獲。

 

隨著(zhù)無(wú)鉛焊料的不斷改進(jìn)研制,人們對環(huán)境日益的關(guān)注和保護,無(wú)鉛助焊劑的焊接性能也成為了業(yè)界研究的重點(diǎn)。發(fā)展“綠色助焊劑”,用去離子水代替有機溶劑,開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良,不含鹵素、松香的水基免清洗助焊劑,不但能克服溶劑型免清洗助焊劑的缺陷,而且適應無(wú)鉛焊料焊接工藝,是當今微電子焊接材料領(lǐng)域的研究發(fā)展方向之一。

 

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