锡膏的基本概念与特性

锡膏的基本概念与特性锡膏是由焊料合金粉末与助焊剂/载体系统按照一定比例均匀混合而成的浆状固体；锡膏的粘度具有流变特性，即在剪切力作用下粘度减小以利于印刷，而印刷之后粘度恢复，从而在再流焊之前起到固定电子元器件的作用；在再流焊过程中焊料合金粉末熔化，在助焊剂去除氧化膜的辅助作用下润湿电子元器件外引线端和印刷电路板焊盘金属表面并发生反应，最终形成二者之间的机械连接和电连接。锡膏产品的基本分类根据焊料合金种类，可分为含铅锡膏与无铅锡膏；根据清洗方式及有无，可分为松香基锡膏、水溶性锡膏与免清洗锡膏；根据活性剂种类，可分为纯松香基锡膏、中等活性松香基锡膏、高活性松香基锡膏与有机物基锡膏；根据涂敷方式，可分为范本印刷用锡膏、丝网印刷用锡膏与滴注用锡膏。锡膏发展的重要进程1940年代：印刷电路板组装技术在二次世界大战中出现并逐渐普及；1950年代：通孔插装的群焊技术----波峰焊技术出现；1960年代：表面组装用片式阻容组件出现；1971年：Philips公司推出小外形封装集成电路，表面组装概念确立并迅速得到推广应用；1985年：大气臭氧层发现空洞；1987年：《蒙特利尔公约》签署，松香基锡膏的主要清洗溶剂----氯氟碳化物的使用受到限制并最终被禁止使用。水溶性锡膏与免清洗概念开始受到重视；1990年代：全球气候变暖，温室效应逐年明显；2002年：《京都协议书》签署，要求逐渐减少挥发性有机物质的使用。低VOC和VOC-Free锡膏的概念开始受到重视。锡膏的使用原则是什么先进先出，即在保证性能满足要求的前提下，首先使用库存时间最长的产品。使用以前剩下的锡膏时应与新锡膏按1:1比例混合使用，而不能完全使用“旧”的锡膏。锡膏如何如存？用户方收到本公司的锡膏产品后请立即放入冰箱，在3-7℃下进行冷藏保存。请注意不可以对锡膏进行冷冻保存。另一方面，锡膏开封使用之后如果还有剩余且希望在下一轮组装过程中继续使用而不是废弃，请再次将该锡膏容器密封，但是不可以放入冰箱内保存，而只是放置在室温环境下即可。焊锡膏的主要成份及特性大致讲来，焊锡膏的成份可分成两个大的部分，即助焊剂和焊料粉（FLUX&SOLDERPOWDER）。（一）、助焊剂的主要成份及其作用：A、活化剂(ACTIVATION)：该成份主要起到去除PCB铜膜焊盘表层及零件焊接部位的氧化物质的作用，同时具有降低锡、铅表面张力的功效；B、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；C、树脂（RESINS）：该成份主要起到加大锡膏粘附性，而且有保护和防止焊后PCB再度氧化的作用；该项成分对零件固定起到很重要的作用；D、溶剂（SOLVENT）：该成份是焊剂组份的溶剂，在锡膏的搅拌过程中起调节均匀的作用，对焊锡膏的寿命有一定的影响；（二）、焊料粉：焊料粉又称锡粉主要由锡铅合金组成，一般比例为63/37；另有特殊要求时，也有在锡铅合金中添加一定量的银、铋等金属的锡粉。概括来讲锡粉的相关特性及其品质要求有如下几点：A、锡粉的颗粒形态对锡膏的工作性能有很大的影响：A-1、重要的一点是要求锡粉颗粒大小分布均匀，这里要谈到锡粉颗粒度分布比例的问题；在国内的焊料粉或焊锡膏生产厂商，大家经常用分布比例来衡量锡粉的均匀度：以25~45μm的锡粉为例，通常要求35μm左右的颗粒分度比例为60%左右，35μm以下及以上部份各占20%左右；A-2、另外也要求锡粉颗粒形状较为规则；根据“中华人民共和国电子行业标准《锡铅膏状焊料通用规范》（SJ/T11186-1998）”中相关规定如下：“合金粉末形状应是球形的,但允许长轴与短轴的最大比为1.5的近球形状粉末。如用户与制造厂达成协议，也可为其他形状的合金粉末。”在实际的工作中，通常要求为锡粉颗粒长、短轴的比例一般在1.2以下。A-3、如果以上A-1及A-2的要求项不能达到上述基本的要求，在焊锡膏的使用过程中，将很有可能会影响锡膏印刷、点注以及焊接的效果。B、各种锡膏中锡粉与助焊剂的比例也不尽相同，选择锡膏时，应根据所生产产品、生产工艺、焊接元器件的精密程度以及对焊接效果的要求等方面，去选择不同的锡膏；B-1、根据“中华人民共和国电子行业标准《锡铅膏状焊料通用规范》（SJ/T11186-1998）”中相关规定，“焊膏中合金粉末百分(质量)含量应为65%-96%,合金粉末百分(质量)含量的实测值与订货单预定值偏差不大于±1%”；通常在实际的使用中，所选用锡膏其锡粉含量大约在90%左右，即锡粉与助焊剂的比例大致为90：10；B-2、普通的印刷制式工艺多选用锡粉含量在89-91.5%的锡膏；B-3、当使用针头点注式工艺时，多选用锡粉含量在84-87%的锡膏；B-4、回流焊要求器件管脚焊接牢固、焊点饱满、光滑并在器件（阻容器件）端头高度方向上有1/3至2/3高度焊料爬升，而焊锡膏中金属合金的含量，对回流焊焊后焊料厚度（即焊点的饱满程度）有一定的影响C、锡粉的“低氧化度”也是非常重要的一个品质要求，这也是锡粉在生产或保管过程中应该注意的一个问题；如果不注意这个问题，用氧化度较高的锡粉做出的焊锡膏，将在焊接过程中严重影响焊接的品质。锡膏性能基准测试的四个步骤理解锡膏性能是努力改善合格率和降低成本的基础。步骤一和二对锡膏的当前功能与合格率性能作基准测试，并且作为将来材料研究的一个可靠的工程基础。如果计划转换到一种替代的锡膏成分，则推荐使用下面一系列的测试事项来保证成功的实施。步骤一，基准测试现有锡膏的当前性能。测试那些可以影响视觉与电气第一次通过合格率的主要功能特性。为了达到可重复性和产品的中性化，这个测试最好是在测试模型上离线完成。功能测试包括：可印刷性、塌落形态、粘性和粘性寿命、可焊接性、残留水平和可清洁性(如果可应用)。步骤二，基准测试当前锡膏在可能挑战该材料的产品上的产品与过程合格率，该产品可能具有比传统产品设计更密的脚距或更广的元件范围；还有，选择一个已完成原型阶段但还处在寿命早期的产品。(这步将在第三步的落选材料上重复，和可能使用新锡膏的产品上重复进行)。在一组基准测试中的所有重复事项都要详细记录，以便可以查明什么可归因于锡膏性能。这时也可记录用量和浪费。如果可能，也应记录作基准测试时的工厂情况，如温度、湿度、操作员、板的批号、锡膏，甚至元件。应该选择一个好的批量：制造环境中较具典型的，足够大到对统计有意义的(如大于50但小于500)。得出一个测试合格率的详细报告。说明元件返工的特殊原因，每个事件都应找出原因，如焊锡不足、开路、锡桥、墓碑、熔湿差、引脚不共面、元件没放准和元件丢失等。由于当前材料的性能是通过主要的功能测试与其合格率损失来度量的，这是个好时候来评估该锡膏用于用户装配的主要性能类别的相对重要性。例如，如果检查分析表明有较高百分比的丢失元件，那么粘性可能是很重要的。类似的，如果检查主要发现焊锡不足和/或开路，那么可焊接性需要增加。如果在步骤一发现塌落(短路是主要的返工项目)，则表明要寻找一种很少或没有塌落的材料。步骤三。新材料的测试是在步骤一中对现有锡膏所标定的相同条件和方法下进行。然后评估结果，落选所有那些表现更差性能的材料。事实上，应该注意到性能上的一些平衡-应用从步骤二得出的性能期望的用户设定。步骤四。当能够证实新材料合格率和/或产量的提高的时候，应该生产第二批的产品-尽可能地接近步骤二相同的条件。如果情况相差太大，应该用现有锡膏生产出相同数量的板。重要的是：为了精确评估材料变化的效果，必须详细记录所有的缺陷。锡膏印刷前的准备锡膏从冰箱中取出，投入印刷工序之前一定要进行以下2个步骤的操作：（1）不要开封，在室温下放置至少4-6个小时以上，以使锡膏的温度自然回升至室温。（2）锡膏温度达到室温之后，在投入印刷之前，要进行搅拌以保证锡膏中的各组成成分均匀分布。建议采用专用搅拌设备，沿同一方向搅拌1-3分钟即可。锡膏印刷质量控制在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。有许多变量，如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销或视觉来对准。或者丝网(screen)或者模板(stencil)用于锡膏印刷。本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题，如模板设计和印刷工艺过程。印刷工艺过程与设备在锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型：实验室与生产。每个类型有进一步的分类，因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如，一个公司的研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型，而生产则会用另一种类型。还有，生产要求可能变化很大，取决于产量。因为激光切割设备是不可能分类的，最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。在手工或半自动印刷机中，锡膏是手工地放在模板/丝网上，这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。在自动印刷机中，锡膏是自动分配的。在印刷过程中，印刷刮板向下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时，锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。在锡膏已经沉积之后，丝网在刮板之后马上脱开(snapoff)，回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的，大约0.020~0.040。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。如果没有脱开，这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时，使用接触印刷。非接触(off-contact)印刷用于柔性的金属丝网。刮板(squeegee)类型刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。对可接受的印刷品质，刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘，而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷，甚至可能损坏刮板和模板或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏，引起焊锡圆角不够。常见有两种刮板类型：橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时，使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时，渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥，要求频繁的底部抹擦。为了防止底部渗透，焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于模板开孔壁的粗糙度。金属刮刀也是常用的。随着更密间距元件的使用，金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片形状，使用的印刷角度为30~45°。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力，它们不会从开孔中挖出锡膏，还因为是金属的，它们不象橡胶刮板那样容易磨损，因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多，并可能引起模板磨损。使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很大的不同。密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方法-他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化，但这种方法要求改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受欢迎，但是，使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失。模板(stencil)类型重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspectratio)是重要的。推荐的纵横比为1.5。这对防止模板阻塞是重要。一般，如果纵横比小于1.5，锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外，如IPC-7525《模板设计指南》所推荐的，还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一个良好开端。制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板的工艺：化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺。化学腐蚀(chemicallyetched)模板金属模