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助焊剂

助焊剂(flux):在焊接工艺中能帮助和促进焊接过程,同时具有保护作用、阻止氧化反应的化学物质。助焊剂可分为固体、液体和气体。主要有“辅助热传导”、“去除氧化物”、“降低被焊接材质表面张力”、“去除被焊接材质表面油污、增大焊接面积”、“防止再氧化”等几个方面,在这几个方面中比较关键的作用有两个就是:“去除氧化物”与“降低被焊接材质表面张力”。

助焊剂 [1] 通常是以松香为主要成分的混合物,是保证焊接过程顺利进行的辅助材料。焊接是电子装配中的主要工艺过程,助焊剂是焊接时使用的辅料,助焊剂的主要作用是清除焊料和被焊母材表面的氧化物,使金属表面达到必要的清洁度.它防止焊接时表面的再次氧化,降低焊料表面张力,提高焊接性能.助焊剂性能的优劣,直接影响到电子产品的质量。

近几十年来,在电子产品生产锡焊工艺过程中,一般多使用主要由松香、树脂、含卤化物的活性剂、添加剂和有机溶剂组成的松香树脂系助焊剂.这类助焊剂虽然可焊性好,成本低,但焊后残留物高.其残留物含有卤素离子,会逐步引起电气绝缘性能下降和短路等问题,要解决这一问题,必须对电子印制板上的松香树脂系助焊剂残留物进行清洗.这样不但会增加生产成本,而且清洗松香树脂系助焊剂残留的清洗剂主要是氟氯化合物.这种化合物是大气臭氧层的损耗物质,属于禁用和被淘汰之列.仍有不少公司沿用的工艺是属于前述采用松香树指系助焊剂焊锡再用清洗剂清洗的工艺,效率较低而成本偏高.

免洗助焊剂主要原料为有机溶剂,松香树脂及其衍生物、合成树脂表面活性剂、有机酸活化剂、防腐蚀剂,助溶剂、成膜剂.简单地说是各种固体成分溶解在各种液体中形成均匀透明的混合溶液,其中各种成分所占比例各不相同,所起作用不同.

有机溶剂:酮类、醇类、酯类中的一种或几种混合物,常用的有乙醇、丙醇、丁醇;丙酮、甲苯异丁基甲酮;醋酸乙酯,醋酸丁酯等.作为液体成分,其主要作用是溶解助焊剂中的固体成分,使之形成均匀的溶液,便于待焊元件均匀涂布适量的助焊剂成分,同时它还可以清洗轻的脏物和金属表面的油污.

天然树脂及其衍生物或合成树脂

表面活性剂:含卤素的表面活性剂活性强,助焊能力高,但因卤素离子很难清洗干净,离子残留度高,卤素元素(主要是氯化物)有强腐蚀性,故不适合用作免洗助焊剂的原料,不含卤素的表面活性剂,活性稍有弱,但离子残留少.表面活性剂主要是脂肪酸族或芳香族的非离子型表面活性剂,其主要功能是减小焊料与引线脚金属两者接触时产生的表面张力,增强表面润湿力,增强有机酸活化剂的渗透力,也可起发泡剂的作用

有机酸活化剂:由有机酸二元酸或芳香酸中的一种或几种组成,如丁二酸,戊二酸,衣康酸,邻羟基苯甲酸,葵二酸,庚二酸、苹果酸、琥珀酸等.其主要功能是除去引线脚上的氧化物和熔融焊料表面的氧化物,是助焊剂的关键成分之一

防腐蚀剂:减少树脂、活化剂等固体成分在高温分解后残留的物质

助溶剂:阻止活化剂等固体成分从溶液中脱溶的趋势,避免活化剂不良的非均匀分布

成膜剂:引线脚焊锡过程中,所涂复的助焊剂沉淀、结晶,形成一层均匀的膜,其高温分解后的残余物因有成膜剂的存在,可快速固化、硬化、减小粘性.

助焊剂中的主要起作用成分是松香,松香在260摄氏度左右会被锡分解,因此锡槽温度不要太高.

助焊剂是一种促进焊接的化学物质。在焊锡中,它是一种不可缺少的辅助材料,其作用极为重要。

在大气中,被焊母材表面总是被氧化膜覆盖着,其厚度大约为2×10-9~2×10-8m。在焊接时,氧化膜必然会阻止焊料对母材的润湿,焊接就不能正常进行,因此必须在母材表面涂敷助焊剂,使母材表面的氧化物还原,从而达到消除氧化膜的目的。

母材在焊接过程中需要加热,高温时金属表面会加速氧化,因此液态助焊剂覆盖在母材和焊料的表面可防止它们氧化。

熔融焊料表面具有一定的张力,就像雨水落在荷叶上,由于液体的表面张力会立即聚结成圆珠状的水滴。熔融焊料的表面张力会阻止其向母材表面漫流,影响润湿的正常进行。当助焊剂覆盖在熔融焊料的表面时,可降低液态焊料的表面张力,使润湿性能明显得到提高。

被焊材料在焊接过程中已破坏了原本的表面保护层。好的助焊剂在焊完之后,并迅速恢复到保护焊材的作用。能加快热量从烙铁头向焊料和被焊物表面传递;合适的助焊剂还能使焊点美观

⑴助焊剂应有适当的活性温度范围。在焊料熔化前开始起作用,在施焊过程中较好地发挥清除氧化膜、降低液态焊料表面张力的作用。焊剂的熔点应低于焊料的熔点,但不易相差过大。

⑵助焊剂应有良好的热稳定性,一般热稳定温度不小于100℃。

⑶助焊剂的密度应小于液态焊料的密度,这样助焊剂才能均匀地在被焊金属表面铺展,呈薄膜状覆盖在焊料和被焊金属表面,有效地隔绝空气,促进焊料对母材的润湿。

⑷助焊剂的残留物不应有腐蚀性且容易清洗;不应析出有毒、有害气体;要有符合电子工业规定的水溶性电阻和绝缘电阻;不吸潮,不产生霉菌;化学性能稳定,易于贮藏。 [2]

助焊剂按功能分类有:手浸焊助焊剂、波峰焊助焊剂及不锈钢助焊剂;前面两者为广大用户所熟悉了解,这里解释不锈钢助焊剂,它是专门针对不锈钢而焊接的一种化学药剂,一般的焊接只能完成对铜或锡表面的焊接,但不锈钢助焊剂可以完成对铜、铁、镀锌板、镀镍、各类不锈钢等的焊接;

助焊剂的种类很多,大体上可分为有机、无机和树脂三大系列。

树脂焊剂通常是从树木的分泌物中提取,属于天然产物,没有什么腐蚀性,松香是这类焊剂的代表,所以也称为松香类焊剂。

由于焊剂通常与焊料匹配使用,与焊料相对应可分为软焊剂和硬焊剂。

电子产品的组装与维修中常用的有松香、松香混合焊剂、焊膏和盐酸等软焊剂,在不同的场合应根据不同的焊接工件进行选用。

助焊剂的种类繁多,一般可分为无机系列、有机系列和树脂系列。无机系列助焊剂

无机系列助焊剂的化学作用强,助焊性能非常好,但腐蚀作用大,属于酸性焊剂。因为它溶解于水,故又称为水溶性助焊剂,它包括无机酸和无机盐2类。

含有无机酸的助焊剂的主要成分是盐酸、氢氟酸等,含有无机盐的助焊剂的主要成分是氯化锌、氯化铵等,它们使用后必须立即进行非常严格的清洗,因为任何残留在被焊件上的卤化物都会引起严重的腐蚀。这种助焊剂通常只用于非电子产品的焊接,在电子设备的装联中严禁使用这类无机系列的助焊剂。

有机系列助焊剂的助焊作用介于无机系列助焊剂和树脂系列助焊剂之间,它也属于酸性、水溶性焊剂。含有有机酸的水溶性焊剂以乳酸、柠檬酸为基础,由于它的焊接残留物可以在被焊物上保留一段时间而无严重腐蚀,因此可以用在电子设备的装联中,但一般不用在SMT的焊膏中,因为它没有松香焊剂的粘稠性(起防止贴片元器件移动的作用)。

在电子产品的焊接中使用比例最大的是树脂型助焊剂。由于它只能溶解于有机溶剂,故又称为有机溶剂助焊剂,其主要成分是松香。松香在固态时呈非活性,只有液态时才呈活性,其熔点为127℃活性可以持续到315℃。锡焊的最佳温度为240~250℃,所以正处于松香的活性温度范围内,且它的焊接残留物不存在腐蚀问题,这些特性使松香为非腐蚀性焊剂而被广泛应用于电子设备的焊接中。

为了不同的应用需要,松香助焊剂有液态、糊状和固态3种形态。固态的助焊剂适用于烙铁焊,液态和糊状的助焊剂分别适用于波峰焊。

在实际使用中发现,松香为单体时,化学活性较弱,对促进焊料的润湿往往不够充分,因此需要添加少量的活性剂,用以提高它的活性。松香系列焊剂根据有无添加活性剂和化学活性的强弱,被分为非活性化松香、弱活性化松香、活性化松香和超活性化松香4种,美国MIL标准中分别称为R、RMA、RA、RSA,而日本JIS标准则根据助焊剂的含氯量划分为AA(0.1wt%以下)、A(0.1~0.5wt%)、B(0.5~1.0wt%)3种等级。

①非活性化松香(R):它是由纯松香溶解在合适的溶剂(如异丙醇、乙醇等)中组成,其中没有活性剂,消除氧化膜的能力有限,所以要求被焊件具有非常好的可焊性。通常应用在一些使用中绝对不允许有腐蚀危险存在的电路中,如植入心脏的起搏器等。

②弱活性化松香(RMA):这类助焊剂中添加的活性剂有乳酸、柠檬酸、硬脂酸等有机酸以及盐基性有机化合物。添加这些弱活性剂后,能够促进润湿的进行,但母材上的残留物仍然不具有腐蚀性,除了具有高可靠性的航空、航天产品或细间距的表面安装产品需要清洗外,一般民用消费类产品(如收录机、电视机等)均不需设立清洗工序。在采用弱活性化松香时,对被焊件的可焊性也有严格的要求。

③活性化松香(RA)及超活性化松香(RSA):在活性化松香助焊剂中,添加的强活性剂有盐酸苯胺、盐酸联氨等盐基性有机化合物,这种助焊剂的活性是明显提高了,但焊接后残留物中氯离子的腐蚀变成不可忽视的问题,所以,在电子产品的装联中一般很少应用。随着活性剂的改进,已开发了在焊接温度下能将残渣分解为非腐蚀性物质的活性剂,这些大多数是有机化化合物的衍生物。

⑴熔点应低于焊料。

⑵表面的张力、黏度、密度要小于焊料。

⑶不能腐蚀母材,在焊接温度下,应能增加焊料的流动性,去除金属表面氧化膜。

⑷焊剂残渣容易去除。

⑸不会产生有毒气体和臭味,以防对人体的危害和污染环境。

对于使用厂商来说,因为助焊剂的成份是没有办法做出测试的.如果要想了解助焊剂溶剂是否挥发,可以简单的从比重上测量,如果比重增大很多,就可以断定溶剂有所挥发.

选择助焊剂时,有以下几点建议给使用厂商:

初步断定是用何种溶剂如甲醇味道比较小但很呛,异丙醇味道比较重一些,乙醇就有醇香味,虽然说供应商也可能用混合溶剂,但要求供应商提供成份报告,一般他们还是会提供的;但是,异丙醇的价格大概是甲醇的3-4倍,如果和供应商压价的厉害,可能这里面的东西就不好说了

这也是很多厂商选择助焊剂的最根本的方法,在确认样品时,应要求供应商提供相关参数报告,并与样品对照,如样品确认OK,后续交货时应按原有参数对照,出现异常时应检查比重,酸度值等,助焊剂的发烟量也是很重要的一个指标。

三,助焊剂市场是良莠不齐,选择时对供应商的资质应该进行确切了解,如有必要可以去厂商去看厂,如果是不正规的焊剂厂商,是很怕这一套的。

内部检测方法;

⒈看颜色

⒉闻气味:气味越浓相较之助焊剂稳定性越好

⒊测比重

⒋看上锡情况

⒌测阻抗

第三方检测:

⒈测试ROHS项目

⒉测试助焊剂成分

丁二酸(Succinic acid) 别 名:琥珀酸 分子式:C4H6O4 分子量:118.09

性 状:无色结晶体,熔点185oC,沸点235oC(分解为酸酐),比重1.572;溶于甲、乙醇、异丙醇、醚、酮类,不溶于苯、四氯化碳。

应 用:丁二酸主要用在电子化学品、助焊剂、锡膏上用作助焊酸,有良好的助焊、酸化活性作用,配合己二酸及一定的表面活性剂和一些助剂即可提高助焊能力和配制可焊性好的,优质的松香型、环保型助焊剂。丁二酸在化学工业中用于生产染料、醇酸树脂、玻璃纤维增强塑料、离子交互树脂及农药等;在医药工业中用于合成镇静剂、避孕药及治癌物等,此外,还可用于分析试剂、食品铁质强化剂、调味剂以及配制电镀药水和PCB线路

⑴什么是免清洗 [3]

免清洗是指在电子装联生产中采用低固态含量、无腐蚀性的助焊剂,在惰性气体环境下焊接,焊后电路板上的残留物极微、无腐蚀,且具有极高的表面绝缘电阻(SIR),一般情况下不需要清洗既能达到离子洁净度的标准(美军标MIL-P-228809离子污染等级划分为:一级≤1.5ugNaCl/cm2无污染;二级≤1.5~5.0ugNACl/cm2质量高;三级≤5.0~10.0ugNaCl/cm2符合要求;四级>10.0ugNaCl/cm2不干净),可直接进入下道工序的工艺技术。

必须指出的是“免清洗”与“不清洗”是绝对不同的2个概念,所谓“不清洗”是指在电子装联生产中采用传统的松香助焊剂(RMA)或有机酸助焊剂,焊接后虽然板面留有一定的残留物,但不用清洗也能满足某些产品的质量要求,如家用电子产品、专业声视设备、低成本办公设备等产品,它们生产时通常是“不清洗”的,但绝对不是“免清洗”。

⑵免清洗的优越性

①提高经济效益:实现免清洗后,最直接的就是不必进行清洗工作,因此可以大量节约清洗人工、设备、场地、材料(水、溶剂)和能源的消耗,同时由于工艺流程的缩短,节约了工时提高了生产效率。

②提高产品质量:由于免清洗技术的实施,要求严格控制材料的质量,如助焊剂的腐蚀性能(不允许含有卤化物)、元器件和印制电路板的可焊性等;在装联过程中,需要采用一些先进的工艺手段,如喷雾法涂敷助焊剂、在惰性气体保护下焊接等。实施免清洗工艺,可避免清洗应力对焊接组件的损伤,因此免清洗对提高产品质量是极为有利的。

③有利于环境保护:采用免清洗技术后,可停止使用ODS物质,也大幅度地减少了挥发性有机物(VOC)的使用,从而对保护臭氧层具有积极作用。

⑴免清洗助焊剂

要使焊接后的PCB板面不用清洗就能达到规定的质量水平,助焊剂的选择是一个关键,通常对免清洗助焊剂有下列要求:

①低固态含量:2%以下

传统的助焊剂有较高的固态含量(20~40%)、中等的固态含量(10~15%)和较低的固态含量(5~10%),用这些助焊剂焊接后的PCB板面留有或多或少的残留物,而免清洗助焊剂的固态含量要求低于2%,而且不能含有松香,因此焊后板面基本无残留物。

②无腐蚀性:不含卤素、表面绝缘电阻>1.0×1011Ω

传统的助焊剂因为有较高的固态含量,焊接后可将部分有害物质“包裹起来”,隔绝与空气的接触,形成绝缘保护层。而免清洗助焊剂,由于极低的固态含量不能形成绝缘保护层,若有少量的有害成分残留在板面上,就会导致腐蚀和漏电等严重不良后果。因此,免清洗助焊剂中不允许含有卤素成分。

对助焊剂的腐蚀性通常采用下列几种方法进行测试:

a.铜镜腐蚀测试:测试助焊剂(焊膏)的短期腐蚀性

b.铬酸银试纸测试:测试焊剂中卤化物的含量

c.表面绝缘电阻测试:测试焊后PCB的表面绝缘电阻,以确定焊剂(焊膏)的长期电学性能的可靠性

d.腐蚀性测试:测试焊后在PCB表面残留物的腐蚀性

e.测试焊后PCB表面导体间距减小的程度

③可焊性:扩展率≥80%

可焊性与腐蚀性是相互矛盾的一对指标,为了使助焊剂具有一定的消除氧化物的能力,并且在预热和焊接的整个过程中均能保持一定程度的活性,就必须包含某种酸。在免清洗助焊剂中用得最多的是非水溶性醋酸系列,配方中可能还有胺、氨和合成树脂,不同的配方会影响其活性和可靠性。不同的企业有不同的要求和内部控制指标,但必须符合焊接质量高和无腐蚀性的使用要求。

助焊剂的活性通常是用pH值来衡量的,免清洗助焊剂的pH值应控制在产品规定的技术条件范围内(各生产厂家的pH值略有不同)。

④符合环保要求:无毒,无强烈刺激性气味,基本不污染环境,操作安全。

⑵免清洗印制电路板和元器件

在实施免清洗焊接工艺中,制电路板及元器件的可焊性和清洁度是需要重点控制的方面。为确保可焊性,在要求供应商保证可焊性的前提下,生产厂应将其存放在恒温干燥的环境中,并严格控制在有效的储存时间内使用。为确保清洁度,生产过程中要严格地控制环境和操作规范,避免人为的污染,如手迹、汗迹、油脂、灰尘等。

在采用免清洗助焊剂后,虽然焊接工艺过程不变,但实施的方法和有关的工艺参数必须适应免清洗技术的特定要求,主要内容如下:

⑴助焊剂的涂敷

为了获得良好的免清洗效果,助焊剂涂敷过程必须严格控制2个参数,即助焊剂的固态含量和涂敷量。

通常,助焊剂的涂敷方式有发泡法、波峰法和喷雾法3种。在免清洗工艺中,不宜采用发泡法和波峰法,其原因是多方面的,第一,发泡法和波峰法的助焊剂是放置在敞开的容器内,由于免清洗助焊剂的溶剂含量很高,特别容易挥发,从而导致固态含量的升高,因此,在生产过程中用比重法来控制助焊剂的成分保持不变是有困难的,且溶剂的大量挥发也造成了污染和浪费;第二,由于免清洗助焊剂的固体含量极低,不利于发泡;第三,涂敷时不能控制助焊剂的涂敷量,涂敷也不均匀,往往有过量的助焊剂残留在板的边缘。因此,采用这2种方式不能得到理想的免清洗效果。

喷雾法是最新的一种焊剂涂敷方式,最适用于免清洗助焊剂的涂敷。因为助焊剂被放置在一个密封的加压容器内,通过喷口喷射出雾状助焊剂涂敷在PCB的表面,喷射器的喷射量、雾化程度和喷射宽度均可调节,所以能够精确地控制涂敷的焊剂量。由于涂敷的焊剂是雾状薄层,因此板面的焊剂非常均匀,可确保焊接后的板面符合免清洗要求。同时,由于助焊剂完全密封在容器内,不必考虑溶剂的挥发和吸收大气中的水分,这样可保持焊剂比重(或有效成分)不变,一次加入至用完之前无需更换,较发泡法和波峰法可减少焊剂用量60%以上。因此,喷雾涂敷方式是免清洗工艺中首选的一种涂敷工艺。

在采用喷雾涂敷工艺时必须注意一点,由于助焊剂中含有较多的易燃性溶剂,喷雾时散发的溶剂蒸气存在一定的爆燃危险性,因此设备需要具有良好的排风设施和必要的灭火器具。

⑵预热

涂敷助焊剂后,焊接件进入预热工序,通过预热挥发掉助焊剂中的溶剂部分,增强助焊剂的活性。在采用免清洗助焊剂后,预热温度应控制在什么范围最为适当呢?

实践证明,采用免清洗助焊剂后,若仍按传统的预热温度(90±10℃)来控制,则有可能产生不良的后果。其主要原因是:免清洗助焊剂是一种低固态含量、无卤素的助焊剂,其活性一般较弱,而且它的活性剂在低温下几乎不能起到消除金属氧化物的作用,随着预热温度的升高,助焊剂逐渐开始激活,当温度达到100℃时活性物质才被释放出来与金属氧化物迅速反映。另外,免清洗助焊剂的溶剂含量相当高(约97%),若预热温度不足,溶剂就不能充分挥发,当焊件进入锡槽后,由于溶剂的急剧挥发,会使得熔融焊料飞溅而形成焊料球或焊接点实际温度下降而产生不良焊点。因此,免清洗工艺中控制好预热温度是又一重要的环节,通常要求控制在传统要求的上限(100℃)或更高(按供应商指导温度曲线)且应有足够的预热时间供溶剂充分挥发。

⑶焊接

由于严格限制了助焊剂的固态含量和腐蚀性,其助焊性能必然受到限制。要获得良好的焊接质量,还必须对焊接设备提出新的要求具有惰性气体保护功能。除了采取上述措施外,免清洗工艺还要求更严格地控制焊接过程的各项工艺参数,主要包括焊接温度、焊接时间、PCB压锡深度和PCB传送角度等。应根据使用不同类型的免清洗助焊剂,调整好波峰焊设备的各项工艺参数,才能获得满意的免清洗焊接效果。

对基板有一定的腐蚀性

降低电导性,产生迁移或短路

非导电性的固形物如侵入元件接触部会引起接合不良

树脂残留过多,粘连灰尘及杂物

影响产品的使用可靠性

选用合适的助焊剂,其活化剂活性适中

使用焊后可形成保护膜的助焊剂

使用焊后无树脂残留的助焊剂

使用低固含量免清洗助焊剂

焊接后清洗

⒈超声喷涂: 将频率大于20KHz的振荡电能通过压电陶瓷换能器转换成机械能,把焊剂雾化,经压力喷嘴到PCB上.

⒉丝网封方式:由微细,高密度小孔丝网的鼓旋转空气刀将焊剂喷出,由产生的喷雾,喷到PCB上.

⒊压力喷嘴喷涂:直接用压力和空气带焊剂从喷嘴喷出

设定喷嘴的孔径,烽量,形状,喷嘴间距,避免重叠影响喷涂的均匀性.

设定超声雾化器电压,以获取正常的雾化量.

喷嘴运动速度的选择

PCB传送带速度的设定

焊剂的固含量要稳定

设定相应的喷涂宽度


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