金属暴露在空气中一般会发生氧化,表面生成氧化层,妨碍焊接的发生。所以在焊接过程中,加入一种能净化焊接表面金属和焊料表面,帮助焊接的物质,即助焊剂,简称焊剂。
助焊剂通常以松香为基体,松香具有弱酸性和热熔流动性,并具有良好的绝缘性、耐湿性、无腐蚀性、无毒性和长期稳定性,是性能优良的助焊材料。此外,通用的助焊剂还包括活性剂、成膜物质、添加剂和溶剂。
(1)活性剂
活性剂(activator)是为提高助焊剂助焊能力而加入的活性物质,它对助焊剂净化焊料和被焊件表面起主要作用。活性剂的活性是指它与焊料和被焊件表面氧化物等起化学反应的能力,也反映了清洁金属表面和增强润湿性的能力。润湿性强则助焊剂的扩展性高,可焊性就好。在助焊剂中,活性剂的添加量较少,但在焊接时起很大的作用。若为含氯的化合物,其氯含量应控制在0.2%以下。
活性剂分为无机活性剂和有机活性剂两种。无机活性剂,如氯化锌、氯化铵等,助焊性好,但作用时间长,腐蚀性大,不宜在电子装联中使用;有机活性剂,如有机酸及有机卤化物,作用柔和,时间短,腐蚀性小,电气绝缘性好,适宜在电子产品装联中使用。
(2)成膜物质
加入成膜物质,能在焊接后形成一层紧密的有机膜,保护了焊点和基板,具有防腐蚀性和优良的电气绝缘性。常用的成膜物质有松香、酚醛树脂、丙烯酸树脂、氯乙烯树脂、聚氨酯等。在普通家电或要求不高的电器装联中,使用成膜物质,装联后的电器部件可不清洗以降低成本,然而在精密电子装联中焊后仍需要清洗。
(3)添加剂
添加剂是为适应工艺和工艺环境而加入的具有特殊物理和化学性能的物质。常见的添加剂有以下几种。
1)调节剂
调节剂是为调节助焊剂的酸性而加入的材料,如三乙醇胺可调节助焊剂的酸度;在无机助焊剂中加入盐酸可抑制氧化锌的生成。
2)消光剂
消光剂能使焊点消光,以便在操作和检验时克服眼睛疲劳和视力衰退。一般加入无机卤化物、无机盐、有机酸及金属盐类,如氯化锌、氯化锡、滑石、硬脂酸、硬脂肪铜、钙等。
3)光亮剂
如果要使焊点光亮,可加入甘油、三乙醇胺等。
4)缓蚀剂
加入缓蚀剂能保护印制板和元器件引脚,具有防潮、防霉、防腐蚀性能,又能保持优良的可焊性。用作缓蚀剂的物质大多是以含氮化合物为主体的有机物。
5)阻燃剂
为保证使用安全,提高抗燃性可加入阻燃剂,如2,3-二溴丙醇等。
(4)溶剂
溶剂是助焊剂的主要成分,一般占到90%以上。它可以使助焊剂中其他成分有效地溶解,并可调节助焊剂的浓度,以适应不同的涂覆要求。在生产中常使用乙醇、异丙醇及二者的混合物。
2.助焊剂的作用
助焊剂在焊接中的作用主要体现在以下四个方面:
(1)去除焊接表面的氧化物或其他污染物。
(2)防止焊接时焊料和焊接表面的再氧化。
(3)降低熔融焊料的表面张力,促进焊料的扩展和流动。
(4)有利于热量传递到焊接区。
3.助焊剂的分类
(1)按助焊剂的活性分类
助焊剂按其活性特性,可分为4类,如表4-10所示。
表4-10 助焊剂按活性分类
这里的活性标识为国内的习惯用法,目前在IPC-A-610B等标准中,助焊剂活性的标识已采用L、M和H来表示,它们的相互关系简述如下:
L0型焊剂——所有低活性(R)类,某些中等活性(RMA)类,以及某些低固含量免清洗焊剂。(www.xing528.com)
L1型焊剂——大多数中等活性(RMA)类,某些全活性(RA)类。
M0型焊剂——某些高活性(RA)类,某些低固含量免清洗焊剂。
M1型焊剂——大多数高活性(RA)类。
H0型焊剂——某些水溶性焊剂。
H1型焊剂——所有特别活性合成(RSA)类,大部分水溶性和合成全活性焊剂。
(2)按助剂中固体含量分类
助焊剂按照其固体含量的分类,如表4-11示。
表4-11 助焊剂按固体含量分类
(3)按化学成分分类
1)松香系列焊剂。松香是最普通的助焊剂,其主要成分是松香酸及其同素异形体、有机多脂酸和碳氢化萜。在室温下松香是硬的,最纯的松香是水白松香,简称WW,它是最弱的非活性焊剂。在焊接工艺中,水白松香能去除足够的金属氧化物,而使焊料获得优良的润湿性能。为了改善水白松香的活性,可添加诸如烷基胺氢卤化物(联胺卤化物)等活性剂,而形成不同类型的松香系列焊剂。
松香系中的RMA型通常以液体形式用于波峰焊接和以焊剂形式用于焊锡膏。RA型广泛用于工业和消费类电子产品的制造,如收音机、电视机和电话机等产品。RSA型焊剂,由于其腐蚀性和难清洗,所以一般不能用于任何类型的电路组件上。
2)合成焊剂。合成焊剂的主要成分是合成树脂,可根据用途不同配成不同类型,主要用于波峰焊。采用合成焊剂树脂和松香焊剂组成的合成焊剂可以解决双波峰焊工艺中的焊料擦洗问题。否则,采用双波峰焊时,由于焊接时第一个波峰会洗掉焊料,将导致第二个波峰时由于焊料不足而出现焊料拉尖和断路。
3)有机焊剂。有机焊剂又称为有机酸焊剂,类似于特别活性的松香焊剂,可溶于水。这类焊剂属腐蚀性焊剂,并且焊后必须从组件上去除,所以在SMT的应用方面没有前途。但它们已广泛用于普通组件的焊接工艺上。
(4)按残留物的溶解性能分类
若按照残留物的溶解性能,可将助焊剂分为三类。
1)有机溶剂清洗型:低活性(R)类、中等活性(RMA)类、活性(RA)类。
2)水清洗型(WS):有机盐类、无机盐类、有机酸类。
3)免清洗型(LS)。免清洗型助焊剂只含有极少量的固体成分,不挥发含量只有1/5~1/20,卤素含量低于0.01%~0.03%,一般是以合成树脂为基础的助焊剂。
其中,作为替代CFC清洗剂的有效途径是使用水清洗助焊剂,水清洗助焊剂已在波峰焊工艺中使用,但焊后清洗液体的排放问题尚未完全解决。目前正在研制适用于SMT回流焊的水溶性焊剂配制的焊锡膏。
4.对助焊剂性能的要求
为焊接过程中能充分发挥助焊剂的作用,对助焊剂的性能提出了以下要求:
(1)具有去除表面氧化物、防止再氧化、降低表面张力等特性,这是助焊剂必须具备的基本性能。
(2)熔点比焊料低,在焊料熔化之前,助焊剂要先熔化以充分发挥助焊剂作用。
(3)润湿扩散速度比熔化焊料快,通常要求扩展率在90%以上。
(4)黏度和密度比焊料小,黏度大会使扩散困难,密度大就不能覆盖焊料表面。
(5)焊接时不产生锡珠飞溅,也不产生毒气和强烈的刺激性臭味。
(6)焊后残渣易于去除,并具有不腐蚀、不吸湿和不导电等特性。
(7)焊接后不沾手,焊后不易拉尖。
(8)在常温下储存稳定。
5.助焊剂的选用
助焊剂的选择一般考虑以下几点:助焊效果好、无腐蚀、高绝缘、耐湿、无毒和长期稳定,但还应根据不同的焊接对象来选用不同的助焊剂。
(1)不同的焊接方式需要不同状态的助焊剂,波峰焊应用液态助焊剂,回流焊应用糊状助焊剂。
(2)当焊接对象可焊性好时,不必采用活性强的助焊剂;当焊接对象可焊性差时,必须采用活性较强的助焊剂。在SMT中最常用的是低活性或中等活性的助焊剂。
(3)根据清洗方式不同选用不同类型的助焊剂。选用有机溶剂清洗,需和有机类或树脂类助焊剂相匹配;选用去离子水清洗,必须用水助焊剂;选用免洗方式,只能用固体含量在0.5%~3%的免洗助焊剂。
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