柏木慎一郎

（Harima Chemicals Group, Inc研究開發(fā)中心，日本，9990011）

助焊劑殘渣洗凈性優(yōu)異的無鉛焊錫膏的開發(fā)

柏木慎一郎

（Harima Chemicals Group, Inc研究開發(fā)中心，日本，9990011）

本文綜述了無鉛焊錫膏的開發(fā)過程，通過合理地選擇溶劑、松香，無鉛焊錫膏的助焊劑殘渣洗凈性大幅提高。最后，確認了無鉛焊錫膏的綜合性能。

洗凈；助焊劑殘渣；無鉛焊錫膏

以混合動力汽車、電動汽車和自動剎車控制為代表的汽車的動作和運行環(huán)境越來越高機能化。汽車安裝有近100個ECU（電子控制單元），這就要求相關(guān)的電子基板具有很高的可靠性，實現(xiàn)對汽車的有效控制。

在 ECU的高機能化過程中，為了提高電子零件的控制應(yīng)答速度，增加了功率器件（電力半導(dǎo)體器件）的使用。這種功率器件的構(gòu)造與其他電子安裝基板的制造一樣，一般使用的是在印刷基板上安裝電子器件的表面安裝技術(shù)。該項技術(shù)的確立，融合了焊錫材料、功能性的電子零件、基板開發(fā)、印刷技術(shù)與回流加熱（回流焊）方法等技術(shù)。本文將就功率器件安裝中要求的焊錫膏性能和開發(fā)過程做一論述。

1.焊錫材料

表面安裝工藝中使用的焊錫材料，正在被用于不含鉛焊錫合金的無鉛焊錫所代替。在日本，已經(jīng)基本實現(xiàn)了無鉛化，其中包括車載專用的耐久性優(yōu)異的無鉛合金、低熔點合金、低成本合金等，以及用于特定用途的焊錫合金，焊錫合金正呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。

圖1 焊錫膏的使用流程

根據(jù)用途的不同，焊錫材料的形態(tài)可分為：棒狀焊錫、流態(tài)焊錫、膏狀焊錫（焊錫膏）等，在表面安裝中通常使用的是焊錫膏。焊錫膏是由鉛合金的金屬粉末和有活性作用的助焊劑構(gòu)成的膏狀焊錫。助焊劑由松香等基礎(chǔ)樹脂、有機酸等活性劑、蠟和溶劑等物質(zhì)構(gòu)成。

2.焊錫膏的使用工程要求的性能

一般，焊錫膏的使用工程如圖1所示。在表面安裝的過程中，焊錫膏的使用大致可分為：①印刷工程；②零部件固定工程；③焊接工程三個部分。

在最初的絲網(wǎng)印刷工程中，在網(wǎng)板開口處，通過左右搖晃焊錫膏，在基板上涂敷必要的焊錫膏量。然后，經(jīng)零部件固定工程，將電子零件安裝在需要印刷的地方，再在回流焊工程中加熱至金屬熔點以上，將基板與電子零件焊接在一起。

像這樣，使用焊錫膏的表面安裝，必須經(jīng)過數(shù)個階段的工程，焊錫膏應(yīng)滿足其中每個工程的要求。其中，尤為重要的性能是：絲網(wǎng)印刷工程中的印刷性能、零部件固定工程中的零件保持能力、回流焊工程中的焊錫膏塌落控制。

3. 功率器件安裝要求的性能

在ECU（行車電腦）的制造過程中，會大量使用到功率器件的安裝，焊錫膏的以下三點性能尤為重要。

3.1 確保助焊劑殘渣的洗凈性

在要求高可靠性功率器件的安裝過程中，安裝后殘留的助焊劑殘渣應(yīng)具有必要的溶劑洗凈性。這是為了防止安裝后助焊劑殘渣上附著的污垢引起功率器件的誤動作，并防止附著的水引起的腐蝕劣化。

不管電極材質(zhì)如何，都應(yīng)盡量確保小的間隙發(fā)生量在功率器件的安裝過程中，一般多使用焊接附著面積大的零件，這是為使功率器件動作產(chǎn)生的熱，經(jīng)設(shè)置基板有效傳導(dǎo)散熱，防止由于功率器件發(fā)熱引起誤動作而采取的措施。為了確保功率器件動作產(chǎn)生的熱量能夠被基板吸收而放熱，焊接部分的間隙必須要很小（見圖2）。這是因為：如果在焊接的結(jié)合部位存在間隙，就會降低熱傳導(dǎo)率，削弱基板的放熱特性。電子基板上的電極材料不同，間隙的發(fā)生狀態(tài)也不同。為了提高功率器件結(jié)合的可靠性而使用的銀電極，與原來的銅電極相比，功率器件的結(jié)合性大大提高。但是，使用銀電極容易產(chǎn)生間隙，存在放熱特性不充分的問題。

圖2 間隙的發(fā)生狀態(tài)與放熱特性

3.2 能減低焊接中SnPb的飛濺發(fā)生量

在實施回流焊時，要求能控制助焊劑組成中的溶劑揮發(fā)，以及與金屬反應(yīng)生成的水因突然沸騰導(dǎo)致的助焊劑（焊接粒子）飛濺。要防止飛濺的助焊劑與其他零件結(jié)合部位及連接器部分粘結(jié)在一起，引發(fā)誤動作。一般，無鉛焊接產(chǎn)生的飛濺發(fā)生量較多。這是因為：從以前的含鉛焊接轉(zhuǎn)變?yōu)闈櫇裥圆畹臒o鉛焊接后，為了確保充分的防潮性，必須大量添加活性劑，但其結(jié)果導(dǎo)致助焊劑飛濺的發(fā)生量增加。

下面將介紹為改善上述問題而開發(fā)的功率器件安裝用無鉛焊錫膏“PS31BR-00A-VHICS”的開發(fā)過程。

4.確保洗凈性

開發(fā)功率器件用焊錫膏的大前提，是焊錫膏應(yīng)具有助焊劑殘渣洗凈性。為此，開發(fā)時首先要選定洗凈性優(yōu)異的材料。

助焊劑殘渣的洗凈大致分為洗凈工程、沖洗工程和干燥工程三個階段。用洗凈溶劑洗凈，沖洗、干燥的方式最為流行。

洗凈工程中使用的洗凈溶劑，一般為氫氟醚系溶劑和乙二醇醚系溶劑等。

為確保洗凈溶劑的充分洗凈性，本研究從車載關(guān)聯(lián)制造商使用的數(shù)種洗凈溶劑入手，對在這些溶劑中溶解性良好的材料實施了調(diào)查。在討論中發(fā)現(xiàn)，約占助焊劑基本成分一半的松香，其添加量的多少對洗凈性可能會產(chǎn)生比較大的影響。因此，本研究進行了包括因熱產(chǎn)生的氧化老化等因素在內(nèi)的洗凈性確認試驗，對洗凈條件也進行了精確調(diào)查。結(jié)果確認：不勻稱松香（歧化松香）和加氫松香等品種，在加熱時不會發(fā)生氧化老化，且性能穩(wěn)定，具有優(yōu)異的洗凈性。

本研究采用選定洗凈性優(yōu)異的材料，對焊接時的間隙改善和助焊劑飛濺的改善做了討論。

5 間隙的改善

焊錫中產(chǎn)生的氣泡在加熱過程中會緩慢變大。例如，在易產(chǎn)生間隙的銀電極焊接中，會出現(xiàn)占銀電極一半以上面積的氣泡類似物。在功率器件的安裝中，為了緩和動作時的發(fā)熱，減小間隙，應(yīng)該確保電極基板的放熱特性，這一點非常重要。

間隙產(chǎn)生的主要原因包括幾個復(fù)合因素，特別是溶劑的揮發(fā)，與金屬反應(yīng)生成的水，以及在焊錫結(jié)合部位殘存的氣泡，都是間隙產(chǎn)生的主要原因（圖3）。

因此，減少氣泡產(chǎn)生量和抑制（分散）氣泡成長，是改善氣泡發(fā)生的兩個有效手段，以下將對其分別進行討論。

圖3 間隙產(chǎn)生的主要原因（氣泡的產(chǎn)生與成長）

第一個目的是減少氣泡的產(chǎn)生。本文從抑制溶劑的揮發(fā)和減少與金屬反應(yīng)生成的水兩方面做了討論。

首先，討論了對溶劑揮發(fā)的抑制。當(dāng)使用低于焊錫熔點（220℃）的揮發(fā)性溶劑時，很容易想象得到，在焊錫熔融時，焊錫中會產(chǎn)生很多氣泡。因此，選定沸點遠高于焊錫熔點的溶劑，就可以減少氣泡的產(chǎn)生（圖4）。

其次是減少水的生成。如式1所示，由于是在清洗還原氧化的金屬表面時生成了水，因此，本研究采取減少活性劑用量和抑制金屬氧化兩種方法，并對這兩種方法進行了討論。

圖4 溶劑的高沸點化

第三是減少活性劑的方法。本研究調(diào)查結(jié)果顯示：不同的電極材質(zhì)，其有效活性溫度也各不相同，為此，通過有效組合活性劑，可能會降低活性劑必要的最低限量（圖 5）。

圖5 活性劑的作用溫度與反應(yīng)水的抑制

第四是抑制金屬氧化的方法。最重要的是防止回流焊工程中的金屬氧化，以及防止被還原金屬后的干凈金屬由活性劑引起的再次被氧化。在精心調(diào)查各種氧化防止劑后，本研究確認：二唑系的氧化防止劑最為有效。

從以上討論來看，將高沸點溶劑與抑制水生成兩種方法相結(jié)合，有可能大幅減少焊錫中氣泡的產(chǎn)生。

調(diào)查結(jié)果表明：在抑制（分散）氣泡成長的兩種方法中，最有效的方法是在氣泡成長前就使其分散開，并在助焊劑內(nèi)，拼用具有表面活性的最佳溶劑。利用此辦法，使氣泡無法成長，與助焊劑一起被排出到焊錫外。

6.焊錫膏飛濺的改善

焊錫膏飛濺的發(fā)生與間隙一樣，氣泡生成和成長對飛濺的影響很大。當(dāng)氣泡被排出到焊錫外部時，助焊劑和焊錫粒子被吹飛，從而導(dǎo)致飛濺現(xiàn)象的發(fā)生（圖6）。

圖6 焊錫膏飛濺發(fā)生的主要原因（氣泡的排出）

為此，用于改善間隙的方法可能同樣可用于解決飛濺問題。即便如此，在使用環(huán)境和回流焊過程中的溫度條件下，還是會存在一定程度的氣泡產(chǎn)生、放出，完全抑制飛濺現(xiàn)象是不可能的。

為改善飛濺現(xiàn)象的發(fā)生，本研究重點研究了助焊劑比例最高的基本成分——松香。

原來的焊錫膏配方中的松香是不均化精制的松香。調(diào)查結(jié)果表明：在焊錫熔融溫度附近的高溫下，松香是無黏度的液體，焊錫金屬與助焊劑處于容易分離的狀態(tài)。

為解決該問題，本研究拼用了粘性易變的松香，賦予助焊劑適合的黏度，從而，提高焊錫膏的凝集力，使助焊劑和焊錫粉變得不易飛濺。另外，由于助焊劑殘渣自身具有抑制飛濺的抵抗力，在助焊劑殘渣內(nèi)部，飛濺逐漸降低。

從以上討論來看，通過選定最佳松香的合理組合，可以比原來的助焊劑殘渣變得難以飛濺，即：即使有飛濺也會停留在助焊劑殘渣內(nèi)部，不會對周圍的零件產(chǎn)生不良影響。

7. 改良產(chǎn)品的設(shè)計與性能確認

根據(jù)前述的性能改善討論結(jié)果，本研究開發(fā)出了新的洗凈型無鉛焊錫膏 “PS31BR-600AVHICS”。

以下是確認其性能結(jié)果的報告（表1）。

①洗凈性確認

本研究使用車載關(guān)聯(lián)制造商實際使用的溶劑進行洗凈，確認助焊劑殘渣被清洗干凈，洗凈性沒有問題。

②間隙評價結(jié)果

間隙的發(fā)生狀態(tài)如圖7所示，銅電極、銀電極均顯示良好的結(jié)果，確認電極種類對間隙發(fā)生的影響很小。

③飛濺的評價結(jié)果

圖7 兩種焊錫膏的間隙發(fā)生狀態(tài)比較

表1 PS31BR-600A-VHICS性能確認結(jié)果匯總

飛濺發(fā)生數(shù)量如圖8所示，確認“PS31BR-600A-VHICS”的飛濺量降至與SnPb焊錫膏同等的水平。

④印刷性確認

圖8 不同焊錫膏的飛濺發(fā)生數(shù)的比較

本研究對焊錫膏要求的重要性能——印刷性進行了確認。圖9是對連續(xù)印刷12h的印刷體積確認結(jié)果。發(fā)現(xiàn) 12h后與初期相比沒有大的變化，確認不存在印刷問題。

⑤黏附力的確認

圖9 印刷體積率的比較

本研究對焊錫膏性能的零件保持力進行了確認。與印刷性一樣，連續(xù)12h的黏著性雖有變化，但12h后仍然超過最低限度的必要黏著力1N，確認沒有問題。

⑥焊錫附著性的確認

本研究對焊錫膏性能的焊錫附著性進行了確認。電極的潤濕擴大率，銅電極、銀電極均有良好的潤濕性。

⑦電氣可靠性

由于焊錫膏安裝過程中會施加高電壓，因而，特別要求具有高電壓可靠性。即使對助焊劑殘渣的洗凈不足，也不會漏電。

本文介紹的改良產(chǎn)品，姑且不論能否洗凈助焊劑殘渣，即使沒有洗凈，也能確保有高絕緣抵抗值，確認該產(chǎn)品沒有問題。

8.結(jié)論

焊錫安裝用新型洗凈型無鉛焊錫膏，具有優(yōu)異的洗凈性，而且間隙及飛濺性良好。本文把這種新型無鉛焊錫膏命名為“PS31BR-600A-VHICS”。

本次設(shè)計的VHICS是為功能器件專門設(shè)計的。對除此以外的與車載相關(guān)的焊錫膏，今后，應(yīng)該開發(fā)可靠性更高能滿足性能要求的制品。為了迅速滿足用戶的這種需求，日本Harima Chemicals Group, Inc正不斷提高自身的技術(shù)水平，努力為用戶提供更多高水平的制品。

本文譯自2015.10《JETI》

The Development of Lead-free Solder Paste with Excellent Property of Cleaning Flux Residue

Shinichiro Ooyama
(Research and Development Center, Harima Chemicals Group, Inc, Japan, 9990011)

The development process of lead-free solder paste is reviewed in this paper, where properties of lead-free solder paste on cleaning flux residue can be greatly increased by virtue of rational choice of solvents and rosin. Finally, the comprehensive performance of lead-free solder paste is confirmed

cleaning property；flux residue；lead-free solder paste

TQ649

A

1672—2701（2017）03—48—06