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SMT焊膏
第四章焊膏与焊膏印刷技术第四章焊膏与焊膏印刷技术
第一节锡铅焊料合金
焊料是易熔金属,它在母材表面能形成合金,并与母材连为一体,不仅实现机械连,同时也用于电气连接。
焊接学中,习惯上将焊接温度低于450C的焊接称为软钎焊,用的焊料又称为软焊料。
电子线路的焊接温度通常在180C〜300C之间,所用焊料的要成分是锡和铅,故又称为锡铅焊料。
一.电子产品焊接对焊料的要求电子产品的焊接中,通常要求焊料合金必须满足下列要求:
(1)焊接温度要求在相对较低的温度下进行,以保证元件不受热冲击而损坏。
(2)熔融焊料必须在被焊金属表面有良好的流动性,有利于焊料均匀分布,并为润湿奠定基础。
(3)凝固时间要短,有利于焊点成型,便于操作。
(4)焊接后,焊点外观要好,便于检查。
(5)导电性好,并有足够的机械强度。
(6)抗蚀性好,电子产品应能在一定的高温或低温、盐雾等恶劣环境下进行工作,特别是军事、航天、通信以及大型计算机等。
为此焊料必须有很好的抗蚀性。
(7)焊料原料的来源应该广泛,即组成焊料的金属矿产应丰富,价格应低廉,才能保证稳定供货。
二.锡铅合金焊料
1.锡的特性
锡是延展性很好的银白色金属,质地软,熔点是231.9C,密度为7.28g/cm3耐,常温下易氧化,性能稳定。
2.铅的特性
铅也是质地柔软并呈灰色的金属,熔点327.4°C,密度为11.34g/cm3。
铅的导电、导热性能差,铅与锡有良好的互溶性,塑性优异、铸造性好,并具有润滑性。
纯铅耐腐蚀性极强,化学性能稳定,但有机酸和强酸对它有强腐蚀作用;铅对人体有害,以离子铅的形式进入人体,其毒性很大,尤其对婴幼儿。
3.锡铅合金的特性
4.铅在焊料中的作用5.液态锡铅焊料的易氧化性6.锡铅焊料中的杂质三.锡铅合金相图与焊料特性
1.铅锡合金状态图
铅锡合金状态图表示了不同比例的铅、锡的合金状态随温度变化的曲线。
2.共晶焊料
当Sn/Pb合金以63/37比例互熔时,升温至183C,将出现固态与液态的交汇点,即图中的T点,这一点称为共晶点,该点的温度称之为共晶温度,为183C,是不同Sn/Pb配比焊料熔点中温度最低的。
对应的合金成分为Sn-62.7%、Pb-37.3%(实际生产中的配比是63:
37)的铅锡合金称为共晶焊锡,是铅锡焊料中性能最好的一种。
四.锡铅合金产品对于铅-锡合金除了按其百分比构成不同而派生出很多种合金外。
成份为Sn63Pb37的焊料,从形状和用途上又分为:
锡膏、锡条、锡丝、锡箔。
第二节无铅焊料合金
一.废弃电子产品的危害性及铅的毒害性
Sn-Pb合金(特别是Sn-37Pb),因其成本低廉,良好的导电性和优良的力学和钎焊性能,一直以来广泛的用于电子整机装联、微电子元器件的封装和印刷电路板级组装。
但是,Pb及含Pb物是危害人类健康和污染环境的有毒有害物质。
Sn-Pb钎料在生产及使用过程中会直接危害人体,它与人体蛋白质强烈结合而抑制人体正常的生理功能,造成神经系统和代谢紊乱,使神经系统和生理反应迟钝,减少血色素而造成贫血及高血压。
此外电子元器件废弃物中含Pb的钎料会被氧化成氧化铅,氧化铅和盐酸及酸雨中的酸反应形成铅的化合物,污染环境,最终危害人类的健康。
目前,欧盟已通过立法明确在2008年停止使用含铅钎料,全世界电子工业中禁止使用含铅钎料已是大势所趋。
《报废电子电气设备指令》(WEEE和《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》
(RoHS已经正式实施。
.无铅焊料的定义
无铅焊料的标准,目前世界上尚无统一的标准。
欧盟EUELVD协会的标准是:
Pb质量含量<0.1%;美国JEDEC协会的标准是:
Pb质量含量V0.2%;国际标准组织(ISO)提案,电子装联用焊料合
金中铅质量含量应低于0.1%。
无论是0.1%还是0.2%均是很低的数值。
所以目前国际公认的无铅焊料的定义为:
以Sn为基体,添加了其它金属元素,而Pb的含量在0.1~0.2wt%(wt%重量百分比)以下的主要用于电子组装的软钎料合金。
三.无铅焊料应具备的条件
无铅焊料也应该具备与Sn-Pb合金大体相同的特征,具体目标如下:
1)替代合金应是无毒性的。
⑵熔点应同锡铅体系焊料的熔点(183C)接近,要能在现有的加工设备上和现有的工艺条件下操作。
(3)供应材料必须在世界范围内容易得到,数量上满足全球的需求。
某些金属如铟和铋数量比较稀少,只够用作无铅焊锡合金的添加成分。
(4)替代合金还应该是可循环再生的。
(5)机械强度和耐热疲劳性要与锡铅合金大体相同。
(6)焊料的保存稳定性要好。
(7)替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式,包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型。
不是所有建议的合金都可制成所有的形式,例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。
(8)合金相图应具有较窄的固液两相区。
能确保有良好的润湿性和安装后的机械可靠性。
(9)焊接后对各种焊接点检修容易。
(10)导电性好,导热性好。
四.无铅焊料的发展状况
通过长时间的研究,锡被认定为是最好的基础金属,因为锡的货源储备充足,无毒害,检修容易,有良好的物理特性,熔点是232C,与其他金属进行合金化后熔点不会很高。
所以目前广泛采用的替代Sn/Pb焊料的元毒合金,是Sn为主,添加AgZnCuSbBi、In等金属元素,组成三元合金和多元合金。
经过大量的比较后筛选出几种好的锡合金,它们为铜(Cu)、银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、铋(Bi)、锑(Sb)。
选择这些金属材料可在和锡组成合金时降低焊料的熔点,使其得到理想的物理特性
1锡锌系(Sn-Zn)
2锡铜系(Sn99.3-Cu0.7)
3锡银系(Sn-Ag)
4锡锑系(Sn-Sb)
5锡铋系(Sn-Bi)
6锡银铜系(Sn-Ag-Cu)简称SAC
五.目前应用最多的无铅焊料合金
目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或
近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。
Sn(3〜4)wt%Ag(0.5〜0.7)
wt%Cu(wt%重量百分比)是可接受的范围,其熔点为217C左右。
Sn-Ag-Cu合金,相当于在Sn-Ag合金里添加Cu,能够
在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点。
因此Sn-
Ag-Cu合金已成为国际上应用最多的无铅合金。
关于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分,日、美、欧
之间存在一些微小的差别。
美国采用Sn3.9wt%AgO.6wt%Cu(wt%重量
百分比)无铅合金,欧洲采用Sn3.8wt%AgO.7wt%Cu无铅合金,日本采
用Sn3.0wt%Ag0.5wt%Cu无铅合金。
第三节焊膏
焊膏是由合金焊粉、焊剂载体等组成的膏状稳定混合物。
在表面安装
技术中起到粘固元件,促进焊料润湿,清除氧化物、硫化物、微量杂
质和吸附层,保护表面防止再次氧化,形成牢固的冶金结合等作用。
一.焊膏的特性与要求
(l)粘度
(2)坍塌性
(3)工作寿命
二.焊膏的组成
焊膏是将焊料粉末与具有助焊功能的糊状焊剂混合而成的,通常合金焊料粉末比例占总的重量的85%-90%左右,占体积的50%左右。
其余是化学成分。
1.焊粉
(1).焊粉的制造焊粉,即焊料粉末,是由焊料合金熔化后,采用高压惰性气体喷雾或离心喷雾法、超声法等方法雾化制成,然后过筛就可以得到不同粒度的焊粉。
焊粉末的粒度、形态等对锡膏的质量有举足轻重的影响,它又取决于雾化工艺及设备的质量。
(2).焊粉形状及其对焊膏性能的影响下图是放大后的焊粉表面形貌,其中黑色的为富锡相,其亮区为富铅相。
焊粉形状可分为有规和无规两种,其形态对焊膏使用性能有一定影响。
(3).焊粉的粒度
SMT焊膏常用的焊粉为光滑球形。
过粗的粉末会导致焊膏粘结性能变差,随着细间距QFP旱接的需要,将越来越多地使用20z以下的合金粉末。
焊粉颗粒的粗细程度一般用粒度来描述,粒度的单位是目。
原指筛网在每1英寸长度上有多少个筛孔(目数),目数越多,筛孔就越小,能通过的颗粒就越细小。
(4).焊料粉末中杂质及其影响
2.糊状焊剂
糊状焊剂在焊膏中的比重一般为10%〜15%,体积百分比为50〜
60%。
作为焊粉载体,它起到结合剂、助熔剂、流变控制剂和悬浮剂等作用。
它由树脂、活化剂(表面活性剂、催化剂)、触变剂、溶剂和添加剂等组成。
优良的焊剂应具备①高的沸点,以防止焊膏在再流过程中出现喷射;②高的粘稠性,以防止焊膏在存放过程中出现沉降;③低卤素含量,以防止再流焊后腐蚀元器件;④低的吸潮性,以防止焊膏在使用过程中吸收空气中的水蒸汽而引起粉末氧化。
性能的物质,常用的有调节剂、消光剂、缓蚀剂、光亮剂、阻燃剂等。
焊剂的含量对焊膏的塌落度、粘度、粘结性能有显著影响;另外还能影响到焊接后焊料的堆积厚度
三.焊膏的分类及标识
目前,焊膏的品种繁多,尚缺乏统一的分类标准,现仅进行技术性的分类。
一般根据合金熔点、焊剂的活性程度及粘度进行分类。
1.按焊料合金熔化温度分类
2.按焊剂活性分类
可分为:
活性(RA),中等活性(RMA,无活
性(R),水洗,免清洗几大类,以适应不同场合的焊接需要。
3.按焊膏粘度分类
四.几种常见的焊膏
1.松香型焊膏
2.水溶性焊膏
3.免清洗低残留物焊膏
4.无铅焊膏五.焊膏的评价方法焊膏的检验包括三部分:
焊膏的使用性能、焊料粉末及焊剂.
1.焊膏的外观
2.粘度的测量
3.触变系数的计算4.焊膏的印刷性能
5.焊膏的粘结力
6.焊球试验
7.焊膏扩展率试验(润湿性试验)
8.焊粉在焊膏中所占百分率(质量)
9.焊剂酸值、卤化物、水溶物电导率、铜镜腐蚀性、绝缘电阻测定第四节模板
模板(stencil),又称为网板、钢网,它是焊膏印刷的关键工具之一,用来定量分配焊膏。
一.模板概述
(1)模板的结构
图4-9中所见的模板,其外框是铸铝框架(或铝方管焊接而成),中心是金属模板,框架与模板之间依靠张紧的丝网相连接,呈“钢一柔一钢”的结构。
这种结构确保金属模板
既平整又有弹性,使用时能紧贴PCB表面。
(2).模板的管理
2.模板的制造
(l)化学腐蚀法
(2)激光切割法
(3)电铸法
三.模板的设计工艺
模板基材厚度及窗口尺寸大小直接关系到焊膏印刷量,从而影响到焊接质量。
模板基材厚和窗口尺寸过大会造成焊膏施放量过多,易造成“桥接'';窗口尺寸过小,会造成焊膏施放量过少,会产生“虚焊''。
因此SMT生产中应重视模板的设计。
1.模板良好漏印性的必要条件
宽厚比=窗口的宽度/模板的厚度=W/H,
W是窗口的宽度,H是模板的厚度。
宽厚比参数主要适合验证细长形窗口模板的漏印性。
面积比=窗口的面积/窗口孔壁的面积=(LXW)/2X(L+W)
XH,
L是窗口的长度。
面积比参数主要适合验证方形/圆形窗口模板的漏印性。
在印刷锡铅焊膏时,当宽厚比》1.6,
面积比》0.66时,模板具有良好的漏印性:
而在印刷无铅焊膏当宽
厚比》1.7,面积比》0.7时,模板才有良好的漏印性
2.模板窗口的形状与尺寸
为了得到高质量的焊接效
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