2.2 焊膏

组成

焊膏由焊料合金粉（以下简称焊粉）和焊剂组成，而焊剂又由溶剂、成膜物质、活化剂、稳定剂和触变剂等组成，如图2-4所示。

焊剂各组分所占焊膏质量百分比及成分如下。

（1）成膜物质：2%～5%，主要为松香及其衍生物、合成材料，最常用的是水白松香，主要用于阻止再流焊接过程熔融焊料表面的再次氧化。松香分子为“大块”的分子，氧原子很难穿透过去，再流阶段覆盖在熔融后焊料表面，起到防止焊料氧化的作用。其他有机酸，比如，硅橡胶、丙烯酸等，属于长分子链，氧原子相对比较容易穿过去，不适合作保护膜使用。

松香本身也具有调节黏度的作用。

（2）活化剂：0.05%～0.5%，最常用的活化剂包括二羧酸、特殊羧基酸和有机卤化盐。助焊剂的发展经历了有机盐酸盐、有机共价卤化物、有机酸三个阶段，有机铵盐酸盐（如（CH₃）NH·HCl）活性强，有机共价卤化物不能适应无卤要求，目前焊膏使用的活化剂主要为有机酸，它能够适应免洗、无卤的要求。这些有机酸均为固态，一般为两种以上有机酸的混合物，如“已二酸+丁二酸”“已二酸+柠檬酸”等。

（3）触变剂：0.2%～2%，可增加黏度，起悬浮作用。这类物质很多，优选的有蓖麻油、氢化蓖麻油、乙二醇—丁基醚、羧甲基纤维素。

（4）溶剂：3%～7%，多组分，有不同的沸点。松香、有机酸等都是固态的，不能适应焊膏印刷的工艺要求，也不能混溶，必须添加溶剂。焊膏中所用的溶剂主要为醇和醚。

（5）其他：表面活性剂，偶和剂。

焊膏的设计，一方面需要满足功能要求；另一方面需要满足工艺要求，如应用场景（敞开的环境还是封闭的环境、刮刀还是封闭印刷头）、印刷操作要求（印刷操作时间、性能的稳定性）等。

从助焊功能方面来讲，我们希望焊膏助焊剂系统，在焊料熔融之前，一直能够维持去氧化、防氧化的能力，并在焊料熔化之时能够将被焊接金属表面的氧化物彻底清除干净。同时，希望在焊接后，残存最小的活性组分以保证焊点的环境可靠性。但是，这种理想的要求，受制于被焊接表面的氧化程度以及焊接时间的变化，实际上很难做。为此，焊膏的配方设计，原理上采用了“多组分活化剂+多组分溶剂”的设计，以确保助焊剂系统活性持续作用及残留最少。

助焊剂配方设计

焊膏所用的活化剂多为有机酸、有机胺、有机卤化物。与无机系列焊剂相比，其活性比较弱，但具有加热迅速、分解留下的残留物基本呈惰性、吸湿性小、电绝缘性能好的特点。

助焊剂各组分的作用如图2-5所示。

助焊剂的三大功能：

（1）化学功能。去除被焊金属表面的氧化物并在焊接过程中防止焊料和焊接表面的再氧化。

（2）热学功能。焊剂能在焊接过程中迅速传递能量，使被焊金属表面热量传递加快并建立热平衡。

（3）物理功能。焊剂有降低焊料表面张力的功能，有助于焊料与被焊金属之间的相互润湿，起到助焊作用。焊接后可形成化学性质稳定的绝缘层，“固”住生成物。

活化剂去除氧化物的原理

反应一，生成可溶性盐类。

M_eO_n+2nRCOOH→M_e(RCOO)_n+H₂O

M_eO_n+2nHX→M_eX_n+nH₂O

反应二，氧化—还原反应。

M_eO+2HCOOH→M_e(COOH)₂+H₂O

M_e(COOH)₂→M_e+CO₂+H₂

再流焊接过程中焊膏的物理化学变化

由于各种品牌焊膏配方的不同及焊接时温度曲线设置的差异，很难准确地描述再流焊接过程中焊膏在什么温度下发生了什么化学反应和物理变化，但并不妨碍我们对其进行大致的定性描述。

认识和了解再流焊接过程中焊膏的物理和化学变化，对正确地设置温度曲线、减少焊接不良十分重要。比如，ENIG焊盘上出现焊剂污点或焊锡点，如果我们清楚它发生的大致温度、了解其发生的原因，那么我们就可以优化温度曲线，减少此类焊接不良。

图2-6是笔者根据一些试验报告绘制的一个焊膏在再流焊接过程中的状态变化图，描述了焊剂在不同阶段的挥发情况、焊膏的物理变化、焊锡焊剂飞溅的发生阶段、去除金属氧化物的主要阶段。需要说明的是，图中一些数据不是一个准确的数值，仅说明一个大致情况，如溶剂的挥发量，它不仅取决于温度与时间，更取决于焊剂组成以及沸点，这点请读者注意。

焊膏的性能评价

对一款焊膏进行评价，一般应包括焊膏的使用性能、助焊剂性能、金属粉性能三大部分，详细评价指标如图2-7所示。

日常例行检查，主要检测影响工艺质量的五项指标。

（1）印刷性——实践中可以通过观察0.4mm间距的CSP或QFP焊膏印刷图形来评价。

（2）聚合性——用焊球试验评价（在规定的试验条件下，检验焊膏中的合金粉末在不润湿的基板上熔合为一个球的能力），目的是检验焊剂短时去氧化物能力以及焊粉的氧化程度。

（3）铺展性——用扩展率试验进行评价，用于确定焊剂的活性。

（4）塌落度——评价焊膏印刷后保持图形原状的能力。

（5）黏着力——评价焊膏的黏附强度。

焊膏使用

1）冷藏存储

必须存放在5～12℃。如果温度过高，焊粉与焊剂反应，会使黏度增加而影响印刷性；如果温度过低（0℃下），焊剂中的松香成分会产生结晶现象，使焊膏性能恶化。

活性比较强的焊膏，如果常温存放（比如解冻）有可能发生焊粉与焊剂反应，使焊膏变黏、变稠、活性变低，这点可通过观察焊膏焊粉颗粒表面是否光滑予以确认。

2）回温后开封使用

必须在操作环境下放置2h以上解冻，以避免冷凝水出现。

3）印刷环境

（25±3）℃，≤65%RH，以维持焊膏出厂性能。

4）温度对印刷时间的影响

（相对湿度在60%以下）温度在20℃、25℃、30℃时，可印刷时间分别为12h、7h、2h。

5）湿度对印刷时间的影响

25℃时，随湿度增加，印刷时间减少。

焊膏活性的表现

焊膏的活性，是一种通俗的说法，标准的表述应是焊膏的润湿性。

润湿性试验很简单，就是将规定量的焊膏（ϕ6.5mm×2）印刷到按规定氧化处理的覆铜板上进行热熔，计算扩展率。铺展率越大——反映单位质量焊料的铺展面积），表示焊膏（助焊剂）的活性越强。标准的测试方法见IPC-TM-650测试方法手册2.4.45 Solder Paste—Wetting Test。再简单的试验，也要准备试样，也要进行试验，终归还是有点麻烦。日常生产中，我们可以通过观察一些特殊元器件引脚的爬锡效果对焊膏的活性进行基本的判定：

（1）焊膏的活性越强，在OSP处理的焊盘上铺展面积越大，如图2-8所示。

（2）焊膏的活性越强，引线爬锡越高，如图2-9所示。

（3）焊膏的活性越强，焊锡对引脚的覆盖越好，如图2-10所示。

（4）采用0.127mm厚的钢网印刷焊膏，在165～175℃下，烘烤10min，然后再加热到210℃（对于有铅焊膏），观察焊锡表面葡萄球现象的严重程度。葡萄球越少，表示去除氧化物能力越强。

这是判定焊剂活性比较简单和有效一些方法，通常不需要专门制作试验板就可进行。从中也可看出利用焊剂活性的强弱可以解决一些连接器的爬锡过高的问题，即可以利用低活性焊剂焊接引脚镀金的连接器，这是笔记本电脑制造中经常采用的手段。