《电子技术应用》

第三节:SMT工艺材料

2017/11/15 13:52:00

3.1焊锡膏

焊锡膏是SMT工艺中不可缺少的焊接材料,它由合金焊料粉、糊状焊剂和一些添加剂混合而成的膏状体。常温下,焊锡膏有一定的粘性,具有良好的触变特性,可将电子元器件暂时固定在PCB的相应位置上。在焊接温度下,焊膏中的合金粉末熔融回流,液体焊料浸润元器件的焊端与PCB焊盘,冷却后元器件的焊端与PCB焊盘被焊料连接在一起,形成电气和机械连结的焊点。

随着回流焊接技术的普及和SMT组装密度的不断提高,焊锡膏已成为高度精细的电路组装材料,在SMT组装工艺中被广泛应用。

3.2焊膏的成分和作用

锡膏主要由合金焊料粉末和助焊剂组成,如表3-3所示,其中合金焊料粉末占总重量的88%---91%,助焊剂占9%---12%;体积比:合金焊粉50%、焊剂50%。

表3-3  焊锡膏的组成化学成分及作用

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1 合金焊粉

焊料粉末是焊料合金熔化后,采用高压惰性气体喷雾或超声法雾化,经过网筛得到的不同粒度的粉末物质。理想的合金粉末是粒度一致的球形颗粒,合金粉颗粒的大小、形状、粒度、均匀度和表面氧化程度对于焊膏的粘性和印刷性能有着直接的影响。粒度愈小,粘度愈大,粒度过大,会使锡膏粘接性能变差,粒度太细,表面积增大,会使其表面含氧量增高,也不宜采用。球形焊料具有良好的性能,它们对焊膏性能的影响参考表3-5。

但实际形状为球形或非球形,粉末长宽比不超过1.5。焊料粉末的粒度、形态等对锡膏的质量有举足轻重的影响,球形合金粉末的表面积小,氧化程度低,制成的焊膏粘度低,具有良好的印刷性能。

表3-5  合金焊料粉的形状对焊膏性能的影响

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锡粉的粒度大小用目数(MESH)来表示,目数是英制单位,指筛网每平方英寸面积上的网孔数量,如图3-6和3-7 ,目数越大,说明筛网开孔数越多,相对的孔径越小。焊料颗粒的尺寸一般为-200目/+325目,在有0.5mm脚间距的器件印刷锡膏时,焊料颗粒尺寸应比常规小,可以选用颗粒尺寸是-325目+500目的焊膏,见表3-4。

表3-4

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2 锡膏中的助焊剂

焊锡膏中的助焊剂(flux)主要成分有活化剂、触变剂、基材树脂和溶剂,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。助焊剂性能的优劣,直接影响到SMT产品的质量。助焊剂是锡粉的载体,其组成与通用助焊剂基本相同。为了改善印刷效果有时还需加入适量的溶剂,通过助焊剂中活性剂的作用,能清除被焊材料表面以及锡粉本身的氧化物,使焊料迅速扩散并附着在被焊金属表面,助焊剂的组成对锡膏的扩展性、润湿性、塌陷、粘度变化、清洗性和储存寿命起决定性作用。

1.活化剂(ACTIVATION):主要起到去除PCB板上的焊盘表面层及零度焊接部位的氧化物,同时降低合金表面张力,在焊剂中的重量比占0.2—1.0%。

2.触变剂(THIXOTROPIC):该成份主要是调节焊锡膏的粘度以及印刷性能,起到在印刷中防止出现拖尾、粘连等现象的作用;一般由溶剂、乳化石蜡等组成,作为增添剂或副溶剂,起着调解剂的作用,其中溶剂一般都是高熔点的溶剂。

3.树脂(RESINS):主要作用是去除氧化膜,形成保护膜防止焊接过程中合金粉进一步氧化,另外在免清洗焊接中形成机械、化学性质稳定的膜,对焊接部位起到一定保护作用。基材树脂主要有松香脂、合成树脂等,常用基材树脂占剂重量比为20---30%。

4.溶剂(SOLVENT):溶剂可使金属颗粒在锡膏中形成糊状体,起到调节均匀性的作用,要求其不易吸湿,对焊膏寿命有一定影响。

具备性能

(1)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。

(2)助焊剂应有良好的热稳定性,一般热稳定温度不小于100℃。

(3)助焊剂的密度应小于液态焊料的密度,能增加焊料的流动性,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。

(4)助焊剂的残留物不应有腐蚀性且容易清洗;

(5)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。

助焊剂是锡粉的载体,本身具有高粘度,其组成与通用助焊剂基本相同。为了改善印刷效果有时还需加入适量的溶剂,通过助焊剂中活性剂的作用,能清除被焊材料表面以及锡粉本身的氧化物,使焊料迅速扩散并附着在被焊金属表面。助焊剂的组成对锡膏的扩展性、润湿性、塌陷、粘度变化、清洗性和储存寿命起决定性作用,如表3-6所示:

表3-6各种焊剂的成分与作用

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3.3焊锡膏的分类

1.按合金焊料熔点分 

采用不同熔点的焊料可以制成不同熔点的焊锡膏。人们习惯上将Sn62/Sn63锡膏称为中温锡膏,低于它们熔化温度的称为低温锡膏,如铋基、铟基锡膏;高于它们熔化温度的称为高温锡膏,如Sn96锡膏。它们的合金成分、熔化温度以及用途见表3-7。

表3-7 焊锡膏熔点表

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2.按焊剂活性分:RA   活性、松香型        消费类电子产品 

                RMA  中等活性            SMT产品

                NC   免清洗              SMT中大量采用。

3.按焊膏粘度分:700 Pa.s -1200 Pa.s     模板印刷

                400 Pa.s -600 Pa.s      丝网印刷

                350 Pa.s -450 Pa.s      分配器

4.按清洗方式:有机溶剂、水清洗、半水清晰、免清洗。

(1)松香型 

松香型焊锡膏中的焊剂主要成分为松香,由于松香有优良的助焊性能,焊后残留物成膜性好,对焊点有保护作用;松香第二个作用是增加焊膏的粘接力,使贴装的元件不产生位移;第三个作用是和松香和其他成分混合,起到调节粘度的作用,使金属粉末不沉淀、不分层。 

(2)水溶型 

水溶型焊锡膏的焊剂主要成分为有机的水溶性物质,焊后可水清洗,有利于环保,但由于无松香,焊膏粘性不够大,应用收到一定限制。 

(3)免清洗 

焊剂中不含卤素,同时尽量减少的松香含量,增加其他有机物的用量,但松香含量减少到一定程度,焊剂的活性就会降低,防止焊接区二次氧化的作用也会降低,采用氮气保护焊接解决问题。免清洗工艺虽然是发展方向,但军品慎重使用。

(4)无铅焊膏 

无铅焊膏也越来越应用广泛,目前已有1/3的产品使用无铅焊接。最常用焊膏的是无铅焊料成份加各种焊剂组成。常用焊膏有:Sn 95.5%-Ag3.8%-Cu0.7%、熔点217℃、比重7.4(63/37-8.4)、金属成份89%、以及Sn91.3%-Bi4.8%-Ag3.0%  、熔点205-210℃。  

3.4锡膏的储存与使用

1.锡膏的储存

焊膏是一种贵重耗材,保管不当会造成很大的浪费。存放的温度和时间长短是要时刻注意,避免错误的存放温度或存放时间过长而性能变坏,为锡膏的储存方法。

1)焊膏需以密闭状态存放在恒温恒湿的冰箱里,如图3-9所示,保存温度为2-10℃,最佳为4-8℃,决不可冷冻保存,否则会造成焊剂的沉淀或结晶,影响使用效果。水溶性焊膏一般冷藏寿命为3—6个月,免清洗焊膏为6个月到1年(注:新进锡膏在放冰箱之前贴好状态标签、注明日期并填写锡膏进出管制表)。

2)焊锡膏启封后,放置时间不得超过24小时。

3)生产结束或因故停止印刷时,钢网板上剩余锡膏放置时间不得超过1小时。

4)停止印刷不再使用时,应将剩余锡膏单独用干净瓶装、密封、冷藏,剩余锡膏只能连续用一次,再剩余时则作报废处理。

2.锡膏的使用

(1)使用原则:先进先出,新旧锡膏混合比例至少1:1(新锡膏占比例较大为好,且为同型号同批次),使用锡膏一定要优先使用回收锡膏并且只能用一次,再剩余的做报废处理。

(2)回温:将原装锡膏瓶从冰箱取出后,在SMT标准室温22℃~28℃时放置时间不得少于4小时以充分回温到室内温度,并在锡膏瓶上的状态标签纸上写明解冻时间,同时填好锡膏进出管制表。

(3)搅拌:

手工:用扁铲按同一方向搅拌5~10分钟,以合金粉与焊剂搅拌均匀为准; 

自动搅拌机:若搅拌机速为1200转/分钟,则需搅拌2~3分钟,以搅拌均匀为准且在使用时仍需用手动按同一方向搅动1分钟。

(4)使用环境:温湿度范围:22℃~28℃;45%~75%。

(5)使用投入量:半自动印刷机、印刷时钢网上锡膏成滚动状,直径为1~2cm即可。

3.5 红胶(贴片胶)

贴片胶又称作胶黏剂、红胶,如图3-3,是表面组装中的黏连材料,在采用波峰焊工艺时,必须先用贴片胶把元器件贴装预固定在PCB板上。在PCB双面组装SMD时,即使采用回流焊接,也常在PCB焊盘图形中央涂敷贴片胶,以便加强SMD的固定,防止回流焊接时SMD的移位和掉落。

3.5.1.贴片胶的成份和作用

贴片胶又称红胶,其作用是在电子组装过程中把元器件暂时固定在PCB板上:

在混合组装工艺中元器件分布于PCB的两面,一般采用在贴装元件的一面点胶(或刮胶)、贴片、固化然后翻面、插件、过波峰焊。这种工艺是用贴片胶把表面贴装元件暂时固定在PCB的焊盘位置上,防止在传递过程中或插装元器件、波峰焊等工序中元件掉落。

 对于双面表面贴装工艺,焊料的表面张力足够保持底边的CHIP元件在再流焊时不掉,但是,当大的元件在底部通过再流焊时,焊料的表面张力不足以保持元件不掉,这种类型的元件也需要施加贴片胶。

贴片胶通常由粘接材料、固化剂、填料以及其他添加剂组成:

粘接材料,一般采用环氧树脂、丙烯酸树脂、改性环氧树脂和聚氨脂等作为粘接材料,其中环氧树脂用途最为广泛,其次为丙烯酸树脂。

固化剂的作用是使粘接材料以一定的温度在一定的时间内进行固化,填料的加入改善了贴片胶的某些特性,如电绝缘性能和高温性能得到增强。 

贴片胶中除粘接材料、固化剂、填料外还需有其它添加剂来实现不同的目的,常用的添加剂有颜料、润湿剂和阻燃剂。

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