焊锡膏的选型评估
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焊锡膏是sMT工艺中一项非常重要的焊接材料,基本上所有的sMT工艺要求都是围绕焊锡膏的性能特性而制定的,如车间温湿度控制、锡膏印刷、回流焊接温度设定参数等。焊锡膏自身的性能优劣决定了SMT生产的顺畅性及制造出的电器产品的长期可靠性,如绝缘电阻大小,铜板腐蚀是否合格等,决定了我们的产品在卖到客户手上后多长时间会出故障,是否能够给客户提供高可靠性的电器产品。因此,焊锡膏的选型是sMT工艺准备中一项重要的工作,要很好地完成这项工作,我们必须清楚地了解焊锡膏的各项特性及性能评估方法,从而才能准确地从市场上众多的品牌中挑选出适合我们自身产品特点的焊锡膏。
焊锡膏是由金属合金粉末、助焊剂及部分添加剂混合而成的具有一定粘性和触变特性的膏状体,这两种材料的特性决定了焊锡膏的最终性能,下面我们从合金粉末和助焊剂特性两大块分别介绍焊锡膏的选用方法。
一、金属合金粉末特性
1、金属合金含量
合金含量指的是焊锡膏中的金属合金占整个焊锡膏重量的百y分比,而非体积百分比。焊料太少,在同样的印刷体积下,焊接后形成的焊点上锡高度不足,焊接强度可能下降,焊点内针孔的几率会增加。但是焊料含量过多,桥连的几率也会增加,因此,必须选择合适的百分比。一般情况下,对于模板印刷,焊锡膏的合金含量在85%-90%,对于采用注射式的方法的,合金含量可以降低到80%-85%。
2、合金粉末形状及大小分布
合金粉末形状一般分为球形和不定形两种,因球形在一定体积下总表面积最小,最小的表面积可以减少金属表面氧化的程度,而且球形的粉末形状一致性较好,可以保证焊锡膏良好的印刷性能,不易堵塞模板的开孔。一般要求金属合金粉末中90%以上的颗粒必须呈球形,球形的定义采用以下方法:用光学测量显微镜测试,放大倍数足以测定各合金粒度的长、宽,长宽的比小于1.5的颗粒定义为球形。
根据合金粉末大小分布范围的不同,可以将悍锡膏分为6类,表1主要列出了我们比较常用的第3-6类合金粉末。
表1:焊锡膏合金规格分类表(颗粒单位;μm)
如何从以上6种类型中选出适合我们使用的焊锡膏种类?一般我们采用三球定律来判定。
三球定律的判定方法如下:
至少有三个最大直径的合金颗粒能够垂直地排列在印刷模板的厚度方向上,
至少有三个最大直径的合金颗粒能够水平的排列在印刷模板上最小网孔的宽度方向上。
以Type3焊锡膏为例,其最大合金颗粒的直径为50μm,则按照三球定律,其最合理的印刷模板厚度应在50μm×3=150μm以上。因此,我们的模板设计决定了我们最终应该采用何种类型合金的焊锡膏。
3、粘度
焊锡膏是一种触变性流体,在刮刀压力作用下开始流动,此时其粘度降低,通过模板开孔流到PCB上,当刮刀压力消失时,又恢复到高粘度状态。粘度是影响焊锡膏印刷性能的一项重要的参数,粘度太大,焊锡膏不容易穿过印刷模板的开孔,容易堵塞网孔,从而导致印刷出来的图形不全。粘度过低,则容易坍塌及无法有效粘固元器件。
环境温度也会影响到焊锡膏的粘度。通常情况下,焊锡膏的粘度随着温度的上升而降低,反之,随着温度的降低而增大。因此,在使用过程中,我们必须对环境温度进行监控,在焊锡膏厂家的产品技术要求内,都会推荐一个最佳的使用环境温度,一般环境温度控制在25±3℃。
焊锡膏的粘度通常采用粘度计进行测量,可以参照IPC-TM-650进行试验。
4、坍塌度
焊锡膏印刷到PCB上以后,在重力和表面张力的作用下,焊锡膏的图形出现移动,并从最初边界向外扩张塌落,超出原来的图形边界,这种现象称为坍塌。坍塌会引起焊锡膏向外流动,与相近图形发生桥连。一个好的焊锡膏,必须具有良好的抗坍塌性能,不仅常温下有这种良好性能,而且在150℃高温时也必须保持这种性能,否则,在再流焊时会出现坍塌而造成桥连。
坍塌度的检测一般采用0.1mm和0.2mm两种厚度的模板进行,模板和刮刀均采用钢材料,网孔尺寸可以采用0.63×2.03mm、0.33×2.03mm、0.20×2.03mm三种尺寸,如图2画出了其中一种模板。我们可以参照IPC-TM-650标准内的试验方法,将准备选用的几种焊锡膏印刷到PcB上,在室温25±5℃,50±10%的相对湿度下保持10-20分钟,150±10℃下保持10-15分钟后冷却至室温,检验锡膏坍塌情况,确定出现桥连的间隙位置,桥连间隙越小,表示焊锡膏的抗坍塌性能越好。我们可以根据我们的PCB产品的焊盘间隙情况选择最适合的焊锡膏进行使用。
5、锡珠测试
在回流焊过程中,焊锡膏会因为各种原因造成焊锡球残留在PCB板上,如果不清除干净,有可能会造成相连导线或者焊盘之间短路,从而造成产品故障。其中可能导致锡珠的原因是焊锡膏中合金粉末的氧化程度和水汽含量。按照IPC-TM-650试验标准,将焊锡膏印刷到试验板上,经过熔融后,检查锡珠的数量及尺寸,通过数据判定各个焊锡膏的优劣,从中选出最优的产品。
二、助焊剂特性
焊锡膏内助焊剂的性能优劣决定了所生产出来电器产品的长期使用可靠性,在很多时候,我们往往只关注了焊锡膏在SMT车间的使用性能及外观上可以检验出来的性能,但是忽略了焊锡膏使用在我们的产品上,可能影响我们产品长期可靠性的这一部分性能,下面我们对这些性能做一下描述。
1、卤素含量
将卤素(F、Cl、Br、I)作为活性剂添加到焊锡膏的助焊剂中,可以显著提高其可焊性,改善焊接效果,但是如果含量过高,则可能会带来腐蚀作用,如有铅焊锡膏内含有Cl元素,其会不断地与焊点中的铅及空气中的水汽和二氧化碳发生化学反应,不断消耗焊料中的铅,降低焊点强度,最终导致脱焊等现象出现。因此必须严格控制焊锡膏中的卤素含量。
IPCJ-STD-004中根据助焊剂卤素含量不同将助焊剂进行了分类,具体如表2。
具体检测方法参照IPC-TM-650。在焊锡膏的选用过程中,在满足我们印刷、焊接要求的情况下。尽量选择低卤,甚至是无卤的焊锡膏。
2、表面绝缘电阻
表面绝缘电阻是焊锡膏可靠性最重要的一项指标,绝缘电阻过低,则产品在潮湿环境使用时,可能出现吸潮造成绝缘电阻下降,从而导致产品短路,甚至出现安全隐患。绝缘电阻测试有国标和IPC两种判定标准,我们可以选用IPC标准来判定表面绝缘电阻的符合性。
采用图3所示的电路板,按照IPC-TM-650的方法准备试验样品,在湿热条件下加50VDC电压,进行168小时试验,采用高阻仪测试最终各电极之间的绝缘电阻。通过试验数据对比,绝缘电阻最大的样品就是我们需要选用的焊锡膏产品。
3、铜板腐蚀
助焊剂具有去除PCB焊盘表面氧化物的作用,因此必然会给我们的PCB和焊点带来一定的腐蚀性,为了衡量这个腐蚀性的大小,可以采用铜板腐蚀试验来确定焊锡膏腐蚀性的大小。
根据IPC-TM-650进行试验,试验完后与标准板进行对比,从众多样品中,选出腐蚀性最小的焊锡膏作为我们的选择,对于高端产品,一般选用与标准板比较无明显差异或腐蚀迹象的焊锡膏。
总 结
焊锡膏是SMT生产工艺中一项重要的焊接材料,选用不当很容易影响到我们的SMT生产加工工艺及质量,甚至会影响到我们产品的长期可靠性,因此,我们不仅要评估其使用性能,还要评估其长期可靠性,通过各种试验对比,选择出最适合我们产品的焊锡膏品牌。