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1、免清洗助焊剂与PCB焊接残留物表象分析北京无线电技术研究所周东焊剂(LSF，10w-SOlids fluxes)、低残留助焊剂(LRF，low一、前言residue fluxes)。树脂含量低于4、2、甚至1的属低正如我们所知，随着全球化保护臭氧层环保行动的 残留助焊剂，这些助时剂具有低残留和低腐蚀的优势。免 实施。电装行业以免清洗技术替代ODS的研发工作已有 洗助焊剂通常是无卤的，它们的焊接活性来自非卤添加 十余年，使得政项技术在实践中已逐步走向成熟，并在行 剂，如低分子量的二羧酸或胺。这些添加剂的残留物在焊 业中被广泛的应用。 接期间分解，具有很低的腐蚀性。另外还有一些其他掭姗 免清洗助焊
2、剂，因遵循低固态物含量、不含卤化物、剂如：防氧化剂、缓蚀剂、润湿剂等。上述物质均可能成为 焊后仅存微量无腐蚀残留物，且焊后表面绝缘电阻大于 线路板上主要残留物质。选择经权威部门技术鉴定合格 一定指标的技术准则，从而实现达到免清洗加工的最终 的助焊剂产品是达到免清洗工艺低残留物的首要保证。 目的。然而，免清洗工艺追求的简化工艺流程、缩短加工进口的助焊剂产品。通常应符合如美国的IPC等标准；德 周期、削减原料消耗、降低生产成本等是以增加质量风险 国的DIN标准英国的BS标准；法国的CNET标准和日 系数为代价的。虽然其新材料、新工艺可达到一般清洗型 本的JIS标准等。对于国内的同类产品，目前应至少
3、符合 焊剂的质量标准，但对于不同可靠性电子产品而言，PCB 免清洗助焊剂暂行检测标准(该标准主要技术依据仍残留物标准也大不相同多数高可靠性电子产品和高耐 以SJ2660 86为蓝本)或GB949188标准。 用性电子产品仍需要通过进一步的清洗工艺来达到相第二，PCB的设计因素。PCB的元器件设计布局过 应级别的残留离子的指标要求，换言之，目前的免清洗技 于密集或过于稀疏都有可能会因局部受热不均匀，而造 术，应定义为适合一般消费类、对外观要求不高、应用环成部分助焊剂无法正常挥发，从而带来一定程度的可见 境较好的电子产品的ODS替代产品。残留物的淤积。残留物按照物理表象来划分，应该分为可见和不可第
4、三，焊接设备因素。因免清洗技术的工艺窗口的缩 见两类，按照成分划分，包括焊后焊剂不挥发成分和活性小，对设备要求也相对提高了。设备装置不完善，如：不具 成分及金属氧化成分等。通常可见残留物是焊剂未挥发 备助焊槽比重测试手段焊剂供给气压不够稳定；不具备 成分和部分焊后氧化物。 喷雾涂敷装置或发泡型助焊槽发泡棒(丝网鼓)孔径过 对于消费类电子产品，用户对印制版焊后的外观标大；发泡型助焊槽未配置气刀；预热系统过短(一个预热 准要求是苛刻的特别是象计算机及其外设产品类的单单元)或控温可调范围过小以及传送系统和焊炉系统不 元板，如今已广泛成为独立商品，从商业角度出发，用户 符合要求等，皆会影响助焊剂化学成
5、分的分解和挥发功则要求我们更应与社会不同消费群体的通俗标准为准效。 绳，直观上要满足每一个消费者的心理需求。因此，解决第四，PCB基板因素。有时，在一些PCB板上，会残 和控制免清洗焊剂的残留物技术，在印制版焊接工艺中，留着用于热风整平(HASL)工艺的液体等离子、非离子 将是不容忽视的重要环节。污染物、未完全固化的阻焊剂以及它们与助焊剂发生化学反应而生产的残留物。另有一些PCB板，会因存放时=、产生焊后残留物的主要因素间过长或保管不善而造成其表面氧化、受到污染，也直接免清洗焊接技术是一整套系统工程它不但取决于 会使焊接产生残留物。 助焊剂本身的质量，同时还取决于PCB布局设计，焊接第五，引脚
6、结构复杂、细间距的SMT元器件，在回 设备、PCB板材、元器件、工艺参数及作业环境、人员素 流焊接工艺中，因焊剂活性下降，工艺参数不正确，时常 质等综合因素。以下逐一分析：会出现残留物。第一，就免清洗助焊剂的构成来讲，主要包括树脂、第六，工艺因素。免清洗焊剂固态含量(o54)很 括化剂、溶剂及其他添加剂。在免洗助焊荆中，一般使用 低，其恬性(活性物含量2)低于松香型焊剂，且伴随预 的是人造树脂，其在焊接期间会分解，所以留下极低的残 热温度的升高而逐步被激活，溶剂挥发。与焊剂有关的工 留物。这些人造树脂通常在低于100C以下不与金属氧 艺参数包括：焊剂比重、压缩空气流量、发泡高度或喷雾 化物反应
7、，但高温时挥发与分解决另外其水溶物电导率 量、气刀角度、传送速度、导轨牵引角度、预热区宽度、预 优秀。免洗助焊剂按树脂含量的不同程度称为低固体助 热温度、焊炉温度、波峰高度、吃锡深度、波形调整等。对于回流焊工艺，还要在构造理想焊接曲线的前提下，考虑四、减少和降低残留物的有效措施加入定量氨气防氧化保护措施，以减少残留物的存在。以上参数中，预热温度对焊剂性能最为重要，通常焊剂厂方从前面的分析中表明，免清洗助焊剂存在残留物是 推荐PCB上扳面温度在95 C105I、范围内，焊接温度不可避免的，但只要从系统技术上进行针对性的研究，采 为250C左右。因此，不正确的参数设置，都可能导致残取相应措施，就可
8、以将焊后残留物控制到最低程度。 留物的生成。首先，可根据TGA(THERMOGRAVIMETRIC第七，工艺管理。作业环境、焊料管理以及操作规范 ANALYSIS)测试技术指标来选择残留物尽可能少的免 都是生产过程中十分重要的内容。由于工艺管理制度不 清洗焊剂。供应商如能提供反映助焊剂固态物质构成的 严，作业环境混乱，即不符合文明生产要求，又会发生质 FTIR(Fourier Ttansfornl Infrared Spectrometry)测试报 量事故。焊剂应确保在有效期内使用；容器不可交叉；不 告则更好。选定的焊剂品牌，应具备通过专业标准的检测 同焊剂禁止混用焊槽按时进行清理操作员应严格
9、执行报告，这样才确保焊接质量。 工艺人员设置的工艺参数和工艺流程，有所违背，就会发其次，从产品PCB设计人手，尽可能使元器件分布均匀，不要出现局都元器件过于密集的现象，要使热辐生一系列质量问题。射，热传导、热交换均匀顺畅，使助焊剂能在理想的空间三、免清洗焊剂的相关指标与樟测标准 内充分活化、分解、挥发。特别是双面板，则更应减少阴影 1特性指标：效应的排布方式。反之，过于稀疏的板面则未必不会出现 免清洗焊剂，一般要求外观是透明、无沉淀、无强烈 多余的残留物，例如在通常的显示板设计时，会有大面积不含铜铂的裸露板面，因其基板导热系数明显下降(环氧刺激昧的f树指导热系数030wmk，铜导热系数398w
10、mk)也总固态物含量在054闻，时常会出现过多的可见残留物，遇到这类问题，只有通过活性物台量2适当提高预热温度(515)或降低传送速度(o818阻化物表面活化剂含量1l米分)的方式，使板面温度达到正确数值来解决。(板面溶剂97；温度可使用红外线温度测试仪，测温胶条或测温粉笔进扩展率大于80，行测试。)表面绝缘电阻SIR值大于1010“n，再者就是生产过程中要采取的一系列控制措施：残留离子污梁物：一级小于15tgcm2；1正确的助焊剂比重和在有效期内使用焊剂当然二级为1510#gcm2；是保证焊接质量的前提。具备喷雾装置的焊机是免清洗三级大于10pgcm2。助焊剂的最佳涂敷方式，其焊剂计量较好控
11、制。发泡式焊1检验项目及标准剂涂敷，除要保证发泡棒丝网孔02mm外，还应严格免清洗焊剂的常规检验包括：扩展试验、干燥度试控制泡沫与PCB传动方向的接触宽度，一般应在2ram，验、腐蚀试验(铜镜试验、细钢丝腐蚀试验)、酸值试验、绝否则会造成上板面焊荆的淤积，因温度相对较低，而不足缘电阻试验以及高温潮湿环境试验等项目。以使其挥发，最终残留下固态物质。气刀同样也是要控制国际上通常执行的免清洗焊剂的适用标准代号如其气压和喷射角度，以即能吹掉液滴又不会将焊剂吹到下：上板面程度为准。美国：MII14256F2预热温度是助焊剂性能发挥作用的最重要的环QQS571E节，由于其焊后多数不需要清洗，故要保证焊剂在
12、预热区BEI，LCORE(TRTSY一000078) 内充分活化、分解、挥发。应尽可能的选用双预热单元的 ANSIIPCSF818焊机，它不但可以减少对PCB的热冲击，也可为助焊剂 法国：cNETList LNZ，3850提供较长的挥发时问。预热温度的控制有两种，其一是预德国；DIN8511，FSw34热区温度的调节其二是传动速度的调节，两项参数调整英国：BS5625到使PCB上板面温度达到插装件类PCB851lo、日本：JISZ3282SMD元件类PCBl00140为最佳，传送速度在1米 目前，由于国内同类产品的发展历程不长检测技术分至13数分之间。在免洗焊剂实际焊接中，往往会遇 的基础工作
13、尚不规范，但电子工业材料质量监督检测中 到焊接条件不良的PCB电路设计，从经验上就需要适当 心执行的暂行检测标准仍是具有权威性的。参照以上标调整预热温度。在元器件能承受的温度范围内，上限预热 准，是我们选择适合本企业产品及工艺要求的助焊材料温度能使焊剂雾化、挥发的更为彻底，也就是剩余残留物 的有效依据。相对会更少，但此时如果PCB上同时使用着阻焊胶带，则温度系数就要调整的十分适当。去离子水(DI WATER)，必要时使用超声波设备。3焊接过程的控制。平整的焊锡波型和同步流速固由于免清洗焊膏焊剂活性低于清洗型，在回流焊接 然重要，它是均匀焊接和氧化物排放的保证，但：干：平整的 中会发生冷焊、桥接
14、及残留物现象，增加氮气环境是解决 PCB、邮票板PCB以及因导轨卡力过大等出的PCB变 此类问题的最佳方案这一点对倒装芯片尤为重要。形，对免清洗焊剂的焊接都十分不刺，它们会带来在锡峰五、结论处“窝气”现象使局部焊剂不能正常挥发而驻留在PCB上，造成明显的残留痕迹这是要尽可能避免的。此外，锡总之，免清洗技术是一门综合学科，它是从环保角度 蝽末端的限流挡板如果调整过高就会影响氧化物及其 提出的新型工艺。从以上分析，焊后残留物产生的原因是 它杂质的排放，甚至在锡面上形成涡流，当PCB通过时， 多元的既有材料方面、也有工艺方面的因素，应根据实 那些有害物质会附着在下板面上，如不清理，将带来电迁 际情况
15、进行客观系统的分析和研究。由于不同产品对清 移、绝缘电阻下降及劣质外观等不良影响，直接降低产品 洁度存在着不同的主观要求，只要我们从实际出发，抓住 的可靠性，这也是非助焊剂直接生成的残留物的另一特 问题的主要方面，就一定会生产出洁净、合格的产品。(附 征。表列出了(IPC清洁度要求可供参考)对于因PCB基板原因造成的残留问题，焊后请洗是附表：IPC清洁度要求 唯一的解决办法。清洗时视污染程度可分别采用溶剂或标准残留物类型适用范围清洁度标准 IPC 6012离子所有类别电子的阻焊涂层前的光板(15txgem2NaCl当量 IPC一6012 有机物。所有类别电子的阻焊豫层前的光板无朽染物析出 JSTD一001 所有类型所有类别电子的阻焊涂层前的光板 足够保证可焊性不松脱、不挥发、最小电JSTDooi颗粒所有电子类募哩的焊后装配气问隔1类电子的焊后装配(900btgcm2JSTD 001松香2类电子的焊后装配(100*gcm23类电子的焊后装配40lgcm2J STD一001离子所有电子类别的焊后装配156,ugcmgNaCl当量IPCA160可见残留物所有电子类别的焊后装配视觉可接受性。当要求测试时100
免清洗助焊剂与PCB焊接残留物表象分析
