SMT用焊锡粉生产技术现状及发展趋势分析

SMT用焊锡粉生产技术现状及发展趋势分析
普友福;朱华明;武信
【摘要】对焊锡粉生产的雾化技术和分级技术现状进行了对比研究,以及对近几年焊锡粉产品发展进行分析,通过研究分析,得出焊锡粉雾化技术和分级技术发展方向,并预期未来焊锡粉生产技术的发展趋势.%The contrast study on the atomization technology and classification technology for solder powder was conducted. By analyzing and studying the development of solder powder products in the last few years, the development direction of the atomization technology and classification technology for solder powder has been obtained. And then, the developing tendency of production technology of solder powder was predicted.
【期刊名称】《云南冶金》
【年(卷),期】2012(041)003
【总页数】5页(P47-51)
【关键词】焊锡粉;气流雾化;离心雾化;超声雾化;分级技术
【作者】普友福;朱华明;武信
【作者单位】云锡研究设计院,云南个旧661000;云锡研究设计院,云南个旧661000;云锡研究设计院,云南个旧661000
【正文语种】中文
【中图分类】TF123
焊锡粉配制成焊膏，用于电子表面组装技术(SMT)，焊粉占焊膏87%左右的比例［1］。

焊锡粉产品要求纯度高、氧含量低、球形度好及粒度分布均匀，较其它金属粉体具有更加严格的要求。

焊锡粉生产的前半段工序是粉末的雾化生产，雾化生产方法主要有三种:气流雾化，离心雾化和超声雾化技术。

后半段工序粉末分级，
雾化生产的焊锡粉经过分级，去除不符合粒度要求的粉末，得到焊锡粉产品。

焊锡粉分级主要有三种工艺:超声旋转振动筛分分级，气流分级，高效超声振动筛分分级。

分级后的焊锡粉粒度和氧含量检测符合产品要求，即可包装提供焊膏配置使用。

国外英国、美国、俄罗斯、德国、日本、法国、韩国、新加坡等国均有焊粉生产，氮气气流雾化工艺淘汰几乎不用，产品以超声雾化法生产的焊粉质量最好，但单台设备的产量也是最小，离心雾化法产量较大，质量略次，但也能够满足用户需要。

国内焊锡粉的雾化生产工艺技术气流雾化只生产低端锡粉，SMT用焊锡粉使用离
心雾化和超声雾化两种工艺，主要以离心雾化为主。

日本、法国在国内建有焊锡粉生产线，生产的焊锡粉用于焊膏配制。

国内的分级以超声振筛和气流分级两种工艺技术为主，研制的高效分级技术也逐渐成熟，开始运用于生产。

相比国外焊膏所用焊锡粉来看，国内生产焊粉产品主要问题是卫星球多、超微粉过多、焊球上有微粉附着。

因此，所产焊锡粉大多只能满足手动线用焊膏或中低档焊膏的要求。

目前SMT封装专用焊锡膏全国用量已达每年约7 000 t。

按焊锡膏中球型焊锡粉
的含量87%计，焊锡粉的年用量约6 000 t，国内2010产销量达到了为4 877 t，虽然同比2009年增长 (全国产量)1 955 t，增加67%。

随着SMT的高密度精细
电子集成芯片的发展，对焊锡粉型号和质量要求也越来越高，焊锡粉生产技术也受到了更高的挑战和冲击。

1.1 气流雾化技术
气流雾化是最常用的金属粉末制备方法之一，也是焊锡粉生产中最早使用的方法。

气流雾化生产焊锡粉主要是采用氮气作雾化气体。

气流雾化具有制粉效率高，产量
大的特点，但雾化产品球形度差，大多为椭圆形，而且表面粗糙附着有微粉，含氧量较高，粉末粒度分布较广，微细粉比例偏高，后序工艺处理难度大。

此外，氮气耗量大，成本较高［2］。

气流雾化制粉原理是在底漏坩埚的下方放有气流雾化喷嘴，当熔融焊锡液流过喷嘴时，被喷嘴射出的高压气体雾化成小液滴，随后焊锡液滴迅速冷却凝固成粉末颗粒。

影响气流雾化因素较多，如焊锡液的过热度、坩埚的漏眼直径、雾化喷嘴与漏嘴的配合方式、氮气及雾化喷嘴的结构、氮气的压力和流量、雾化气氛、雾化设备系统结构和雾化桶的高度都会影响粉末形貌、含氧量、粒度及其分布。

因此，设计和控制好以上因素，减少颗粒在雾化过程中碰撞的机会，使还未完全凝固的颗粒不发生粘结而形成卫星球粒、粉块或聚合团块等的机会，是控制焊料粉末形貌、雾化产品出粉率和雾化粉末的粒度分布的关键。

焊锡粉气流雾化工艺系统连接如图1。

雾化液滴在气流作用下快速飞行过程中得到快速冷却，气流雾化具有粉体冷却速度快，雾化产量高的优点;但焊锡粉氧含量较高 (平均90 μg/g)，粒度分布较宽，成
品率低，粉体表面形貌差;同时由于冷凝速度快，粉体球形度较超声和离心雾化差。

当焊锡粉气流雾化量达到300 kg/h时，D10可达10 μm，D50可达60 μm，
D90可达120 μm。

1.2 离心雾化技术
离心雾化技术也是制粉技术中的一种常用方法，其主要部件是一个高速电机带动的旋转圆盘，从熔锡装置出来的熔化好的焊锡液经送料管保温输送到旋转圆盘的中心，在惯性和离心抛甩作用下，焊锡液沿径向分布开来并在旋转盘上形成一薄的液膜。

当焊锡液膜到达旋转盘边缘时被雾化成液滴，在飞行降落过程中，这些焊锡液滴凝固形成焊锡粉末［4］。

离心雾化时焊锡液在保护气氛中表面张力下收缩凝固成球形粉末颗粒，其粒度分布和表面形貌受圆盘转速、圆盘直径大小、焊锡液流直径、焊锡液过热度、保护气氛
中的含氧量等因素影响，而且要有足够直径的雾化室，以满足雾化飞出的焊锡液滴在冷凝过程不会撞到雾化室壁形成粘结。

离心雾化法生产球形焊锡粉的影响因素中，圆盘转速和圆盘直径大小是整个粉末生产系统的核心部件，是影响雾化产品出粉率和粉末粒度分布的关键因素。

同时，也是决定设备雾化室大小的关键因素。

图2
为离心雾化系统工艺图。

当焊锡粉离心雾化量达到100 kg/h时，D10可达15 μm，D50可达40 μm，
D90可达60 μm。

与气流雾化法相比，离心雾化法控制气氛相对容易，产品球形
度好，氧化程度小 (平均50 μg/g)，粒度控制容易，成品率较高，产量适中。

1.3 超声雾化技术
超声雾化是一种新型制粉新方法，它和传统的利用拉瓦尔喷嘴产生的超声波气流雾化原理完全不同。

焊锡超声雾化的基本原理是利用转换器将工作交流电转变为高频电磁振荡提供给超声换能器，换能器借助于压电晶体的伸缩效应将高频电磁振荡转化为高频的机械振动，超声换能器再将机械振动的速度和振幅放大并传递到超声工具头［3］，高频振动工具头再将焊锡液击碎成雾状液滴。

超声雾化的关键部件是一套完整的超声波换能装置，在高频电源控制下，将电振荡转换为同一频率的超声机械振动，再经变幅杆放大其振幅，驱动工具头作超声振动形成雾化。

超声工具头产生的高频振动产生的能量，在工具头面—液膜界面上产
生强烈的冲击和空化。

在氮气保护下，利用超声产生强烈的冲击和空化的结点作为雾化源，将流向振动源的焊料液流加以粉碎雾化。

超声雾化集超声波的空化、能量密集化和高频振动等优点，使焊锡液雾化。

影响超声雾化的主要因素有超声波发生器的功率、工作频率、换能器晶体、变幅杆和工具头的固有振动频率、工具头的材质、超声振动的振幅、熔融焊料的过热度及流量、雾化保护气氛等参数。

其中工作频率，工具头的材质形状，焊锡液过热度及
流量、雾化保护气氛等参数是影响粒度及分布的关键因素。

当焊锡粉超声雾化量达到45 kg/h时，D10可达25 μm，D50可达50 μm，
D90可达75 μm。

超声雾化的主要特点是设备体积小、产品球形度好，控制气氛容易，产品含氧量低 (平均38 μg/g)，目前是三种雾化法中产品质量最好的粉，但产量小。

超声雾化粉末冷却速度较低，粉体表面形貌好，粒度分布集中，但超声雾化粉末的平均粒径细化困难。

1.4 雾化技术指标对比
在以上三种焊粉雾化技术中，都各自有不同的配套设施，气流雾化需要配备氮气制备或供应、压缩、循环净化、粉末收集等辅助设施。

离心雾化需要配备氮气制备或供应、雾化电机控制、雾化电机冷却、电机润滑循环供油等辅助设施。

超声雾化需要配备氮气制备或供应、超声控制、超声装置冷却等辅助设施。

表1为焊锡粉三种雾化技术的指标对比，投资规模按制氮系统配备规模计算。

在表1所列的三种焊锡粉雾化技术中，气流雾化的配套设备是比较多的，由于耗气量大，需要进行气体净化循环使用，离心雾化需增加电机冷却系统与润滑供油。

超声雾化配套设备则较少。

经过雾化得到的粉末，必须经过分级，去除粗颗粒和细粉末，才能得到合格产品。

焊粉分级技术有旋转超声振动筛分级、气流分级和高效直线超声振动筛分级。

旋转超声振动筛和高效直线超声振动筛通过筛网孔径控制粒径，实现筛分。

气流分级通过气流量大小和叶轮转速控制粒径，实现分级。

2.1 焊锡粉产品型号标准及使用状况
2.1.1 焊锡粉产品型号标准
根据《中华人民共和国电子行业标准》SJ/T11391－2009中电子产品用锡合金粉对焊锡粉尺寸分布和规格类型的分类，焊锡粉的尺寸分布、规格类型及氧含量应符合表2的规定。

标准规定1、2、3型焊锡粉球形度为最大比是1.5(长轴与短轴比)，4、5、6型焊锡粉球形度为最大比是1.2(对于)的近球形粉末。

2.1.2 各型号焊锡粉使用概况
随着电子产品的小型化发展，SMT封装的电子元件排列压缩，焊接间距越来越小，对焊粉的粒度要求越来越细。

表3是2004年到2010云锡公司焊锡粉各型号产品生产比例情况。

从表3我们可以看出，2004年到2006年，市场上焊粉使用以2号和3号粉为主，2007年到2009年，2号粉逐渐退出市场，4号粉大量被使用。

到2010年，4号粉用量占据了主导地位。

2.2 旋转超声振动筛分级技术
旋转超声振动筛焊粉分级是将雾化粉末装入料仓中，自动给料机均匀的将料仓中的粉末送到筛上进行分级。

筛网共装两层，分级3号粉时，上层安装孔径45 μm粗筛网，筛除＞45 μm的粗粉，下层安装孔径25 μm细筛网，筛除＜25 μm的细粉。

超声振动装置安装在筛网上，清除卡在筛网孔中的粉末，减少筛网堵孔。

整个筛机密封后充入氮气，使焊粉在无氧气氛中分级，保证产品质量。

旋转超声振动筛更换筛网即可分级不同型号的焊锡粉，但由于粉末在筛网上运动轨迹重复，致使分级效率降低，网孔堵塞增加，有效筛分面积减少，也使筛分效率降低。

筛分4型
号焊锡粉90 min时，堵网率可达50%。

2.3 气流分级技术
气流分级不使用筛网，粉末在漩涡状气流中充分分散后，随气流进入旋转叶轮分级，达到粒径要求的粉末通过叶轮缝隙，未达到粒径要求的粗颗粒粉末沉降落入收集罐。

4型号 (38～20 μm)焊锡粉分级时，雾化粉末通过给料机均匀供料到气流口，被
漩涡状气流分散后一起进入一级叶轮分级。

＞38 μm的粗粉沉入收集罐，≤38的
粉末从叶轮进入到二级分级。

在二级分级中，进入叶轮的粉为＜20 μm的细粉，
通过布袋收集，沉降收集的的粉则为4型号产品。

气流分级机的分级气体采用氮气，为保证产品质量，各管道连接都被密封，氮气在风机的工作下循环利用。

通过调节叶轮转速和气流大小，即可实现不同粒径焊锡粉的分级，筛分效率可达60%，气流压力调节范围为 0.1～0.45 MPa。

2.4 高效筛分级技术
高效摇摆筛分机使用筛网，是旋转超声振动筛的技术革新进步。

高效筛分有两种机型:摇摆筛和直线筛，筛机都对筛分环境密封，充氮气保护筛分减少产品氧化。

两
种筛机都通都过控制筛面粉末的运动轨迹，减少筛分与未筛分粉末的混合，提高产品筛出率。

同时筛面上增加筛网清理装置，保持筛网孔畅通，提高筛分效率。

摇摆筛筛分4型号焊锡粉120 min后，分级效率仍然可达80%，堵网仅仅只有10%。

直线筛筛分效率更高，可达90%，堵网低于10%。

2.5 焊粉筛分技术指标对比
雾化粉末在分级过程中，粉末间相互摩擦，粉末与筛面摩擦，粉末与容壁摩擦都不可避免会导致发热及氧含量增高，因此，分级过程都需要对分级气体的含氧量和温度严格控制。

气流分级时氮气在风机引送循环时会使气流温度升高20℃ ～30℃，需要增加冷却装置对气流进行降温。

表5为焊粉分级技术经济指标对比，氧含量
增加为分级后粉末较分级前增加量。

表4的筛分处理量按照3号产品粉筛分控制得出，通过数据对比可看出，高效摇
摆筛分机有比较优越的性能，分级效率高，筛网堵网率低。

从表4我们可以看出，随着电子技术发展，对焊锡粉粒径需求逐渐细化，这给雾
化技术和分级技术都提出了更高的要求和挑战。

气流雾化技术由于粉末形貌差，氧含量不易控制，已逐渐被淘汰，仅仅用于低品质锡粉末生产。

超声雾化粉末的高品质，深受客户的喜欢，但由于雾化产量低，粉末平均粒径细化困难，市场占有率低。

离心雾化焊锡粉目前占市场的主导地位，某焊粉生产公司将离心雾化与气流分级连
接，实现了雾化分级一体化，进行3号粉和4号粉生产，取得了较好的经济效益。

但随着超声技术的发展和进步，产量和粉末细化难题正逐渐被解决，超声雾化技术将变成焊锡粉雾化技术的主要技术。

今后几年的焊粉生产，将是把超声雾化与高效筛分机联合一体，进行雾化分级联合作业，该技术可以使焊锡粉产品品质得到较大的提升，同时可降低生产成本，实现清洁无污染的作业环境。

但5号粉和6号粉的分级，筛网是很难实现筛分的，必
须使用气流精密分级，当5号粉和6号粉占市场主导时，必然会发展到超声雾化
与精密气流分级联合的焊粉生产技术，该技术最终将会是焊锡粉雾化分级技术的发展趋势。

【相关文献】
［1］刘宝权.焊锡粉技术的发展综述［J］.中国铅锌锡锑，2005 (6):13－17.
［2］黄迎红，华林.电子组装用焊锡粉雾化制备技术现状与发展［J］.电子工艺技术，2007，
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［3］杨福宝，徐骏，石力开，等.球形微细金属粉末超声雾化技术的最新研究进展［J］.稀有金属，2005，28(2):785－790.
［4］李会平，P.Tsakiropoulo.旋转盘离心雾化熔滴飞行动力学与凝固进程［J］.中国有色金属学报，2006，16(5):793－799.。