无铅助焊剂助焊性能的可接收标准

无铅助焊剂助焊性能的可接收标准

罗道军 刘子莲

信息产业部电子第五研究所（中国赛宝实验室） 510610 广州，luodj@

摘要本文通过对标准助焊剂、有铅助焊剂、无铅助焊剂在不同条件下扩展率与

润湿性的测试与对比分析，研究了无铅焊接用助焊剂与有铅助焊剂助焊性能的异

同，并结合有铅助焊剂的标准，给出了建议无铅助焊剂助焊性能的可接受标准和

合格依据。本文的研究将给制定新的无铅焊接用助焊剂标准提供了很好的依据。

关键词无铅助焊剂助焊性能扩展率润湿时间

前言

由于各国在电子电气领域的环保法律法规的影响以及市场竞争的推动，含有包括铅在内的六种有害物质的材料将被禁止或限制在电子制造领域中使用，因此，目前世界范围内的电子制造正从传统的有铅工艺如火如荼地向无铅工艺转换。而无铅焊料的高熔点与低润湿性的特点导致了无铅工艺实施的许多困难，高熔点可导致焊接温度的升高，并将可能导致元器件与PCB等材料的热损伤；而低润湿性能将导致大量的润湿不良和焊点缺陷，进而导致组装的电子产品的可靠性问题，为此必须综合考虑无铅焊接工艺过程中的各影响要素，以便使无铅过渡顺利实施。其中应对无铅焊料的低润湿性问题最有效的方式就是改善或提升助焊剂的助焊效果，以弥补有铅焊料向无铅焊料转换而导致的润湿性下降。但是目前尚无统一的无铅助焊剂的国际标准或工业标准，如何评价无铅助焊剂的助焊性能以便选择和保证符合使用要求的助焊剂产品就成了业界棘手的技术问题。本文将就这一问题展开研究，通过比较有铅、无铅助焊剂助焊性能的异同，来探讨评价无铅助焊剂的助焊性能的新方法以及合格判定的依据。

1 试验方法与原理

按照以前一贯通行的方法，表征助焊剂的助焊性能的参数主要有两个，即扩展率与润湿时间。在使用锡铅焊料的时代，测试这两个参数的方法主要按照国家标准GB9491[1]、日本工业标准JIS Z3197[2]、JIS Z3198-4[3]、国际电工委员会标准IEC61189或美国IPC标准J-STD-004A[5]，具体的测试方法均基本一致。但在使用无铅焊料后，其测试过程中使用的标准焊料（Sn60Pb40或Sn63Pb37）和温度（235℃）均不再适用，而这两个影响因数对结果的影响又非常关键。另外，目前在无铅工艺中广泛使用且及可能取代锡铅共晶焊料的无铅焊料就是锡银铜（简称SAC）合金，其典型合金比例为Sn Ag(3~4) Cu(0.5~0.7)。因此综合以上因素并参考现有的评估标准规定的方法，设计试验方案如下：

标准合金为Sn96.5Ag3.0Cu0.5（SAC）和Sn63Pb37，扩展率试验使用的标准铜板参照标准JIS Z3197的方法制作，润湿时间测试使用的标准铜片参照标准JIS Z3198-4的方法制作；润湿测试使用日本利士科（Rhesca）的SAT-5100润湿天平。一组在原来标准焊剂（25％松香＋75％异丙醇）[6]的基础上通过调整二乙胺盐酸盐的含量来改变其助焊性能的助焊剂（见表1），该组助焊剂的活性覆盖了电子组装常用的活性系列；另外随机收集一组目前使用的无铅助焊剂（见表2）进行对比评价。

扩展率与润湿时间测试的原理分别见图1和图2。

表1 标准助焊剂样品描述 卤素含量（以Cl 计，wt ％）

活性水平分类 序号

焊剂组成（wt ％） GB9491 J-STD-004A GB9491 J-STD-004A S-1

松香：25，异丙醇：75 0.0 0.0 R RoL0 S-2

松香：25，二乙胺盐酸盐：0.15，异丙醇：74.85 0.049 0.193 R RoL1 S-3

松香：25，二乙胺盐酸盐：0.39，异丙醇：74.61 0.126 0.498 RMA RoL1 S-4

松香：25，二乙胺盐酸盐：0.80，异丙醇：74.20

0.259 1.00 RA

RoM1

S-5 松香：25

，二乙胺盐酸盐：1.60，

异丙醇：73.40 0.518 1.95 RA RoM1

备注 1. S-1、S-2与S-3焊剂是传统的标准焊剂；

2. 卤素含量GB9491是以整个助焊剂为分母来计算的，而J-STD-004A 则是以焊

剂中的固体部分为分母来计算的。

表2 随机选取的几个典型无铅助焊剂描述

编号

组成特征 活性水平（GB9491） 活性水平(J-STD-004A) 1#

低固体含量 R L0 2#

低固体水基 RMA L1 3#

中固体含量 RMA L0 4#

中固体含量 RMA M0 5#

中固体水洗 RA H1 备注 本表中所列助焊剂由***公司提供，并且均已经在无铅工艺上使用，实际的焊接效

果（助焊性能）良好。

图 1 助焊剂的扩展率测试原理 1.施加焊剂；2. 放置标准焊料（焊环或焊球）并加热20秒；3.冷却后测量焊点高度h

扩展率＝（D －h ）/D ×100％（D 标准焊球的直径）

图2 润湿性评价测试原理（不考虑浮力）

2 结果与讨论

2.1 扩展率试验

首先使用标准焊剂S-2在不同的测试温度下进行扩展率测试，以找到无铅助焊剂最佳的扩展率评价测试温度，测试的结果见表3。由于本文使用的SAC 焊料的熔点温度为217℃，按照通常有铅焊接的做法，测试的温度一般以在熔点的基础上增加50℃为限，但考虑到测试的温度要低于实际使用的焊接温度为宜，因此在此范围内选取三个测试温度，分别为245℃、267℃与275℃。从表3中的测试结果发现，在此温度范围内扩展率不敏感，温度增加对扩展率的贡献不大，但275℃通常是波峰焊组装的极限温度了，而245℃又距离熔点太近，因此建议在进行实际的助焊剂扩展率评价时，选用260±5℃为佳。如果在较低的温度条件下有合格或满意的扩展率，通常在实际较高的温度下的组装焊接工艺中可获得满意的焊接效果，当然这一切需要元器件、PCB 以及设备等多影响因素的配合。有铅助焊剂在不同温度下扩展率也不敏感进一步验证了此观点，有铅助焊剂扩展率的结果见表4。

表3 无铅助焊剂扩展率的检测结果 实测值（％）

焊接温度

（℃）

1 2 3 4 5 平均值 （％） 245

76.00 75.97 76.84 75.42 76.99 76.2 267

75.08 77.17 76.69 77.24 76.79 76.6 275

77.85 76.47 77.52 75.89 76.78 76.9 备 注 焊料组成：Sn96.5Ag3.0Cu0.5，标准焊剂：S-2。