助焊劑 @ VS dream world :: 隨意窩 Xuite日誌
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  • 201312222101助焊劑

    助焊劑是一種促進焊接的化學物質。在錫焊中,它是一種不可缺少的輔助材料,其作用極為重要。


     1.助焊劑的作用
     (1)溶解被焊母材表面的氧化膜 在大氣中,被焊母材表面總是被氧化膜覆蓋著,其厚度大約為2×10-9~2×10-8m。在焊接時,氧化膜必然會阻止焊料對母材的潤濕,焊接就不能正常進行,因此必須在母材表面塗敷助焊劑,使母材表面的氧化物還原,從而達到消除氧化膜的目的。
     (2)防止被焊母材的再氧化 母材在焊接過程中需要加熱,高溫時金屬表面會加速氧化,因此液態助焊劑覆蓋在母材和焊料的表面可防止它們氧化。
     (3)降低熔融焊料的表面張力 熔融焊料表面具有一定的張力,就像雨水落在荷葉上,由於液體的表面張力會立即聚結成圓珠狀的水滴。熔融焊料的表面張力會阻止其向母材表面漫流,影響潤濕的正常進行。當助焊劑覆蓋在熔融焊料的表面時,可降低液態焊料的表面張力,使潤濕性能明顯得到提高。


     2.助焊劑應具備的性能
     (1)助焊劑應有適當的活性溫度範圍。在焊料熔化前開始起作用,在施焊過程中較好地發揮清除氧化膜、降低液態焊料表面張力的作用。焊劑的熔點應低於焊料的熔點,但不易相差過大。
     (2)助焊劑應有良好的熱穩定性,一般熱穩定溫度不小於100℃。
     (3)助焊劑的密度應小於液態焊料的密度,這樣助焊劑才能均勻地在被焊金屬表面鋪展,呈薄膜狀覆蓋在焊料和被焊金屬表面,有效地隔絕空氣,促進焊料對母材的潤濕。
     (4)助焊劑的殘留物不應有腐蝕性且容易清洗;不應析出有毒、有害氣體;要有符合電子工業規定的水溶性電阻和絕緣電阻;不吸潮,不產生黴菌;化學性能穩定,易於貯藏。


    3.助焊劑的種類
     助焊劑的種類繁多,一般可分為無機系列、有機系列和樹脂系列。
     (1)無機系列助焊劑 無機系列助焊劑的化學作用強,助焊性能非常好,但腐蝕作用大,屬於酸性焊劑。因為它溶解于水,故又稱為水溶性助焊劑,它包括無機酸和無機鹽2類。 含有無機酸的助焊劑的主要成分是鹽酸、氫氟酸等,含有無機鹽的助焊劑的主要成分是氯化鋅、氯化銨等,它們使用後必須立即進行非常嚴格的清洗,因為任何殘留在被焊件上的鹵化物都會引起嚴重的腐蝕。這種助焊劑通常只用於非電子產品的焊接,在電子設備的裝聯中嚴禁使用這類無機系列的助焊劑。
     (2)有機系列助焊劑(OA) 有機系列助焊劑的助焊作用介於無機系列助焊劑和樹脂系列助焊劑之間,它也屬於酸性、水溶性焊劑。含有有機酸的水溶性焊劑以乳酸、檸檬酸為基礎,由於它的焊接殘留物可以在被焊物上保留一段時間而無嚴重腐蝕,因此可以用在電子設備的裝聯中,但一般不用在SMT的焊膏中,因為它沒有松香焊劑的粘稠性(起防止貼片元器件移動的作用)。
     (3)樹脂系列助焊劑 在電子產品的焊接中使用比例最大的是松香樹脂型助焊劑。由於它只能溶解於有機溶劑,故又稱為有機溶劑助焊劑,其主要成分是松香。松香在固態時呈非活性,只有液態時才呈活性,其熔點為127℃活性可以持續到315℃。錫焊的最佳溫度為240~250℃,所以正處於松香的活性溫度範圍內,且它的焊接殘留物不存在腐蝕問題,這些特性使松香為非腐蝕性焊劑而被廣泛應用於電子設備的焊接中。
     

    為了不同的應用需要,松香助焊劑有液態、糊狀和固態3種形態。固態的助焊劑適用於烙鐵焊,液態和糊狀的助焊劑分別適用于波峰焊和再流焊。 在實際使用中發現,松香為單體時,化學活性較弱,對促進焊料的潤濕往往不夠充分,因此需要添加少量的活性劑,用以提高它的活性。松香系列焊劑根據有無添加活性劑和化學活性的強弱,被分為非活性化松香、弱活性化松香、活性化松香和超活性化松香4種,美國MIL標準中分別稱為R、RMA、RA、RSA,而日本JIS標準則根據助焊劑的含氯量劃分為AA(0.1wt%以下)、A(0.1~0.5wt%)、B(0.5~1.0wt%)3種等級。
    1.非活性化松香(R):它是由純松香溶解在合適的溶劑(如異丙醇、乙醇等)中組成,其中沒有活性劑,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。通常應用在一些使用中絕對不允許有腐蝕危險存在的電路中,如植入心臟的起搏器等。
    1.弱活性化松香(RMA):這類助焊劑中添加的活性劑有乳酸、檸檬酸、硬脂酸等有機酸以及鹽基性有機化合物。添加這些弱活性劑後,能夠促進潤濕的進行,但母材上的殘留物仍然不具有腐蝕性,除了具有高可靠性的航空、航太產品或細間距的表面安裝產品需要清洗外,一般民用消費類產品(如收錄機、電視機等)均不需設立清洗工序。在採用弱活性化松香時,對被焊件的可焊性也有嚴格的要求。

     
    1. ③活性化松香(RA)及超活性化松香(RSA):在活性化松香助焊劑中,添加的強活性劑有鹽酸苯胺、鹽酸聯氨等鹽基性有機化合物,這種助焊劑的活性是明顯提高了,但焊接後殘留物中氯離子的腐蝕變成不可忽視的問題,所以,在電子產品的裝聯中一般很少應用。隨著活性劑的改進,已開發了在焊接溫度下能將殘渣分解為非腐蝕性物質的活性劑,這些大多數是有機化化合物的衍生物。

    〖 免 清 洗 技 術 〗
     1.免清洗的概念
     (1)什麼是免清洗 免清洗是指在電子裝聯生產中採用低固態含量、無腐蝕性的助焊劑,在惰性氣體環境下焊接,焊後電路板上的殘留物極微、無腐蝕,且具有極高的表面絕緣電阻(SIR),一般情況下不需要清洗既能達到離子潔淨度的標準(美軍標MIL-P-228809離子汙染等級劃分為:一級≤1.5ugNaCl/cm2無汙染;二級≤1.5~5.0ugNACl/cm2品質高;三級≤5.0~10.0ugNaCl/cm2符合要求;四級>10.0ugNaCl/cm2不乾淨),可直接進入下道工序的工藝技術。 必須指出的是“免清洗"與“不清洗"是絕對不同的2個概念,所謂“不清洗"是指在電子裝聯生產中採用傳統的松香助焊劑(RMA)或有機酸助焊劑,焊接後雖然板面留有一定的殘留物,但不用清洗也能滿足某些產品的品質要求,如家用電子產品、專業聲視設備、低成本辦公設備等產品,它們生產時通常是“不清洗"的,但絕對不是“免清洗"。


     (2)免清洗的優越性
    ①提高經濟效益:實現免清洗後,最直接的就是不必進行清洗工作,因此可以大量節約清洗人工、設備、場地、材料(水、溶劑)和能源的消耗,同時由於工藝流程的縮短,節約了工時提高了生產效率。
    ②提高產品品質:由於免清洗技術的實施,要求嚴格控制材料的品質,如助焊劑的腐蝕性能(不允許含有鹵化物)、元器件和印製電路板的可焊性等;在裝聯過程中,需要採用一些先進的工藝手段,如噴霧法塗敷助焊劑、在惰性氣體保護下焊接等。實施免清洗工藝,可避免清洗應力對焊接元件的損傷,因此免清洗對提高產品品質是極為有利的。
    ③有利於環境保護:採用免清洗技術後,可停止使用ODS物質,也大幅度地減少了揮發性有機物(VOC)的使用,從而對保護臭氧層具有積極作用。


     2.免清洗材料的要求
    (1)免清洗助焊劑 要使焊接後的PCB板面不用清洗就能達到規定的品質水準,助焊劑的選擇是一個關鍵,通常對免清洗助焊劑有下列要求:
    ①低固態含量:2%以下 傳統的助焊劑有較高的固態含量(20~40%)、中等的固態含量(10~15%)和較低的固態含量(5~10%),用這些助焊劑焊接後的PCB板面留有或多或少的殘留物,而免清洗助焊劑的固態含量要求低於2%,而且不能含有松香,因此焊後板面基本無殘留物。
    ②無腐蝕性:不含鹵素、表面絕緣電阻>1.0×1011Ω 傳統的助焊劑因為有較高的固態含量,焊接後可將部分有害物質“包裹起來",隔絕與空氣的接觸,形成絕緣保護層。而免清洗助焊劑,由於極低的固態含量不能形成絕緣保護層,若有少量的有害成分殘留在板面上,就會導致腐蝕和漏電等嚴重不良後果。因此,免清洗助焊劑中不允許含有鹵素成分。
     對助焊劑的腐蝕性通常採用下列幾種方法進行測試:
    a.銅鏡腐蝕測試:測試助焊劑(焊膏)的短期腐蝕性
    b.鉻酸銀試紙測試:測試焊劑中鹵化物的含量
    c.表面絕緣電阻測試:測試焊後PCB的表面絕緣電阻,以確定焊劑(焊膏)的長期電學性能的可靠性
    d.腐蝕性測試:測試焊後在PCB表面殘留物的腐蝕性
    e.電遷移測試:測試焊後PCB表面導體間距減小的程度
    ③可焊性:擴展率≥80% 可焊性與腐蝕性是相互矛盾的一對指標,為了使助焊劑具有一定的消除氧化物的能力,並且在預熱和焊接的整個過程中均能保持一定程度的活性,就必須包含某種酸。在免清洗助焊劑中用得最多的是非水溶性醋酸系列,配方中可能還有胺、氨和合成樹脂,不同的配方會影響其活性和可靠性。不同的企業有不同的要求和內部控制指標,但必須符合焊接品質高和無腐蝕性的使用要求。 助焊劑的活性通常是用pH值來衡量的,免清洗助焊劑的pH值應控制在產品規定的技術條件範圍內(各生產廠家的pH值略有不同)。
    ④符合環保要求:無毒,無強烈刺激性氣味,基本不汙染環境,操作安全。


     (2)免清洗印製電路板和元器件 在實施免清洗焊接工藝中,制電路板及元器件的可焊性和清潔度是需要重點控制的方面。為確保可焊性,在要求供應商保證可焊性的前提下,生產廠應將其存放在恒溫乾燥的環境中,並嚴格控制在有效的儲存時間內使用。為確保清潔度,生產過程中要嚴格地控制環境和操作規範,避免人為的汙染,如手跡、汗跡、油脂、灰塵等。


     3.免清洗焊接工藝
     在採用免清洗助焊劑後,雖然焊接工藝過程不變,但實施的方法和有關的工藝參數必須適應免清洗技術的特定要求,主要內容如下:
     (1)助焊劑的塗敷 為了獲得良好的免清洗效果,助焊劑塗敷過程必須嚴格控制2個參數,即助焊劑的固態含量和塗敷量。
     通常,助焊劑的塗敷方式有發泡法、波峰法和噴霧法3種。在免清洗工藝中,不宜採用發泡法和波峰法,其原因是多方面的,第一,發泡法和波峰法的助焊劑是放置在敞開的容器內,由於免清洗助焊劑的溶劑含量很高,特別容易揮發,從而導致固態含量的升高,因此,在生產過程中用比重法來控制助焊劑的成分保持不變是有困難的,且溶劑的大量揮發也造成了汙染和浪費;第二,由於免清洗助焊劑的固體含量極低,不利於發泡;第三,塗敷時不能控制助焊劑的塗敷量,塗敷也不均勻,往往有過量的助焊劑殘留在板的邊緣。因此,採用這2種方式不能得到理想的免清洗效果。
     噴霧法是最新的一種焊劑塗敷方式,最適用於免清洗助焊劑的塗敷。因為助焊劑被放置在一個密封的加壓容器內,通過噴口噴射出霧狀助焊劑塗敷在PCB的表面,噴射器的噴射量、霧化程度和噴射寬度均可調節,所以能夠精確地控制塗敷的焊劑量。由於塗敷的焊劑是霧狀薄層,因此板面的焊劑非常均勻,可確保焊接後的板面符合免清洗要求。同時,由於助焊劑完全密封在容器內,不必考慮溶劑的揮發和吸收大氣中的水分,這樣可保持焊劑比重(或有效成分)不變,一次加入至用完之前無需更換,較發泡法和波峰法可減少焊劑的稀釋劑用量60%以上。因此,噴霧塗敷方式是免清洗工藝中首選的一種塗敷工藝。 在採用噴霧塗敷工藝時必須注意一點,由於助焊劑中含有較多的易燃性溶劑,噴霧時散發的溶劑蒸氣存在一定的爆燃危險性,因此設備需要具有良好的排風設施和必要的滅火器具。


     (2)預熱 塗敷助焊劑後,焊接件進入預熱工序,通過預熱揮發掉助焊劑中的溶劑部分,增強助焊劑的活性。在採用免清洗助焊劑後,預熱溫度應控制在什麼範圍最為適當呢?
     實踐證明,採用免清洗助焊劑後,若仍按傳統的預熱溫度(90±10℃)來控制,則有可能產生不良的後果。其主要原因是:免清洗助焊劑是一種低固態含量、無鹵素的助焊劑,其活性一般較弱,而且它的活性劑在低溫下幾乎不能起到消除金屬氧化物的作用,隨著預熱溫度的升高,助焊劑逐漸開始啟動,當溫度達到100℃時活性物質才被釋放出來與金屬氧化物迅速反映。另外,免清洗助焊劑的溶劑含量相當高(約97%),若預熱溫度不足,溶劑就不能充分揮發,當焊件進入錫槽後,由於溶劑的急劇揮發,會使得熔融焊料飛濺而形成焊料球或焊接點實際溫度下降而產生不良焊點。因此,免清洗工藝中控制好預熱溫度是又一重要的環節,通常要求控制在傳統要求的上限(100℃)或更高(按供應商指導溫度曲線)且應有足夠的預熱時間供溶劑充分揮發。


     (3)焊接 由於嚴格限制了助焊劑的固態含量和腐蝕性,其助焊性能必然受到限制。要獲得良好的焊接品質,還必須對焊接設備提出新的要求——具有惰性氣體保護功能。除了採取上述措施外,免清洗工藝還要求更嚴格地控制焊接過程的各項工藝參數,主要包括焊接溫度、焊接時間、PCB壓錫深度和PCB傳送角度等。應根據使用不同類型的免清洗助焊劑,調整好波峰焊設備的各項工藝參數,才能獲得滿意的免清洗焊接。
     

     

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