1.助焊劑

1.1助焊劑的定義

助焊劑是指能夠去除PCB表面、焊料本身的氧化物或表面其他污染，濕潤(rùn)被焊接的金屬表面，同時(shí)在焊接時(shí)保護(hù)金屬表面不被再次氧化，減少熔融焊料的表面張力，促進(jìn)焊料擴(kuò)展與流動(dòng)的化學(xué)物質(zhì)。

1.2助焊劑的作用

輔助熱傳遞、去除氧化物、降低表面張力及防止再氧化。

1.3助焊劑的組成

1.3.1活化劑

作用：清潔焊接表面，降低表面張力的作用。

1.3.2擴(kuò)散劑

作用：調(diào)節(jié)錫膏的粘度及印刷性能，以防止出現(xiàn)脫尾、粘連等現(xiàn)象。

1.3.3保護(hù)劑

作用：加大錫膏的粘附性，防止焊點(diǎn)再度氧化。

1.3.4溶劑

(通常是酮類、醇類及酯類的混合物)

作用：在錫膏攪拌過(guò)程中起調(diào)節(jié)均勻的作用。

2.助焊劑殘留物的類型及來(lái)源

2.1助焊劑殘留物的定義

助焊劑殘留物指的是焊接后不揮發(fā)成份、殘留的活性成份以及生成的金屬鹽類。

2.2助焊劑殘留物的種類

PCB焊接后殘留物的產(chǎn)生與焊接過(guò)程中使用的助焊劑類型有密切的關(guān)系，從使用的助焊劑類型來(lái)看常見的殘留物主要分為以下兩類。

2.2.1松香焊劑的殘留物

主要是由聚合松香、未反應(yīng)的活化劑以及焊接時(shí)松香與熔融的焊料之間反應(yīng)生成的鹽等組成。

這些物質(zhì)在吸潮后體積膨脹，部分物質(zhì)還與水發(fā)生水合反應(yīng)。這些呈白色或褐色的殘留物吸附在PCB上，清除異常困難。

2.2.2有機(jī)酸焊劑殘留物

如目前廣泛使用的免洗助焊劑，其主要由多種有機(jī)酸組成，也包含一些在高溫下可以產(chǎn)生鹵素離子的化合物。

這類殘留物最難除去的是有機(jī)酸與焊料形成的鹽類，它們有較強(qiáng)的吸附性能且溶解性較差。

3.助焊劑殘留物的形成過(guò)程

以目前廣泛使用的免洗助焊劑為例，其活化成份主要是脂肪二元酸及羧酸類的衍生物。影響羧酸酸性強(qiáng)弱的因素有分子結(jié)構(gòu)、溶劑和溫度等。

3.1分子結(jié)構(gòu)

二元羧酸分子中有兩個(gè)羧基(-COOH)，羧基是吸電子基，具有強(qiáng)的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，使其可以電離出兩個(gè)H+。而取代羧酸中的羥基酸因?yàn)榉肿又泻辛u基(-OH)和羧基兩種官能團(tuán)，表現(xiàn)出羧基和羧基的兩重性質(zhì)。相比羧基，羥基是更強(qiáng)的吸電子基，使羧基的離解度增加，這樣羥基酸的酸性比母體羧酸更強(qiáng)，從而助焊性能也會(huì)大大提高。

3.2溶劑

常溫下二元羧酸主要以分子H2R的形式存在于溶劑中，酸性較弱，腐蝕性較小，但在焊接的溫度下，隨著溶劑的不斷揮發(fā)，其助焊劑中的濃度變大，酸中大量的H+被電離出來(lái)，酸性變強(qiáng)，此時(shí)H+便和焊料及PCB的金屬表面的氧化膜發(fā)生反應(yīng)，形成有機(jī)酸鹽。

3.3溫度

在焊接過(guò)程中，助焊劑的活性不僅取決于活化劑本身的分析結(jié)構(gòu)，還與活化劑的沸點(diǎn)及熱穩(wěn)定性有密切關(guān)系。

3.3.1分解溫度

助焊劑中的活化劑通常是由分解溫度不同的多種酸組成的復(fù)合型活化劑，這樣能夠保證助焊劑在不同溫度下的活性。

分解溫度低的活化劑可使得焊后殘留物少、腐蝕小。而分解溫度高的活化劑若在預(yù)熱、焊接過(guò)程中受熱不充分時(shí)將難以完全分解，這樣將會(huì)有殘留物留于PCBA上。

3.3.2溶劑沸點(diǎn)

助焊劑中的溶劑通常也是由多種不同沸點(diǎn)的醇醚類物質(zhì)所組成的，但高沸點(diǎn)的助溶劑含量不能過(guò)多，否則會(huì)造成溶劑揮發(fā)速度變慢，在PCB經(jīng)過(guò)預(yù)熱區(qū)后，仍會(huì)有大量高沸點(diǎn)助溶劑殘留在PCB上，在隨后進(jìn)入焊接區(qū)時(shí)，同樣會(huì)有一些難以發(fā)生分解而作為殘留物留在PCBA上。

4.助焊劑殘留物的相關(guān)案例

4.1

此案例中，在PCB設(shè)計(jì)方面，由于綠油堵孔及引腳位置的特殊結(jié)構(gòu)，容易造成助焊劑聚集殘留。其中，殘留助焊劑主要成分為松香(酸)，該物質(zhì)在吸濕后會(huì)降低表面電阻或阻抗，導(dǎo)致漏電。

4.2

此案例中，PCB阻抗降低的原因?yàn)榕啪€插座DIP焊接時(shí)，殘留的助焊劑過(guò)多，形成連片狀態(tài)。

助焊劑殘留物在吸濕狀態(tài)下，會(huì)釋放活化劑，當(dāng)端子之間存在電勢(shì)差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生漏電，嚴(yán)重則會(huì)短路，甚至?xí)l(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

4.3

此案例中，PCB板上殘留的助焊劑較多，部分區(qū)域未清洗。經(jīng)清洗、烘烤及加濕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再結(jié)合PCBA有吸濕的因素，發(fā)現(xiàn)與電阻有關(guān)聯(lián)的電路或板面阻抗降低。

5.助焊劑殘留物對(duì)PCB的影響

殘留物除對(duì)PCB的外觀影響外，更重要的是造成功能失效。

5.1殘留物對(duì)PCB的腐蝕

殘留物不僅會(huì)緩慢地腐蝕PCB裸露的金屬區(qū)，對(duì)PCB的阻焊層也會(huì)造成一定的破壞，特別是PCBA放置或使用一段時(shí)間吸潮后，腐蝕會(huì)表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重。

5.2殘留物對(duì)電化學(xué)遷移的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明：助焊劑殘留物的存在將大幅增加電遷移的發(fā)生機(jī)率。

5.3 Q&A

Q：電遷移是什么?

A：電遷移又稱電化學(xué)遷移。

電化學(xué)遷移現(xiàn)象指的是在PCBA組裝為整機(jī)使用一段時(shí)間后，特別是在濕熱環(huán)境下，如果PCB表面有離子存在，離子會(huì)發(fā)生定向遷移，最后形成電流通道，進(jìn)而造成絕緣性能下降。其中，若使用含銀的焊料，在銀腐蝕為銀離子后，電遷移更容易發(fā)生。

Q：殘留物的類型不同對(duì)PCB的影響程度及方式是否一樣?

A：不一樣。

非離子型殘留物主要會(huì)引起接觸電阻增大，甚至造成開路;而離子型殘留物除了引起絕緣性能下降外，還會(huì)引起PCB的腐蝕，最終使整個(gè)PCB失效。

6.助焊劑殘留物的可靠性評(píng)判方法

從可靠性評(píng)判方面來(lái)說(shuō)，目前最常用的評(píng)判助焊劑殘留物的方法是表面絕緣電阻測(cè)試和電化學(xué)遷移測(cè)試。

依據(jù)IPCJ-STD-004B《助焊劑要求》的規(guī)定，焊接后的PCBA在經(jīng)過(guò)表面絕緣電阻測(cè)試(85℃，相對(duì)濕度85%，168H)后，所有測(cè)試圖形的絕緣電阻都必須大于1.0×10^8?。經(jīng)過(guò)同樣測(cè)試條件的電化學(xué)遷移測(cè)試后，除梳形電路導(dǎo)體允許有輕微的變色外，其他導(dǎo)體不能有明顯的腐蝕現(xiàn)象;對(duì)于出現(xiàn)樹枝狀結(jié)晶現(xiàn)象的，其尺寸不應(yīng)超過(guò)導(dǎo)線間距的20%。

7.有效減小殘留物的措施及去除方式

7.1選擇理想的助焊劑

理想的助焊劑應(yīng)該具有高活性、低腐蝕性，然而兩者卻是彼此對(duì)立的指標(biāo)，常常有很多助焊劑在一味追求高活性的同時(shí)忽視了其腐蝕性。因此在面對(duì)諸多的助焊劑時(shí)，有必要進(jìn)行實(shí)際的焊接工藝試驗(yàn)來(lái)選擇性能良好、可靠性高的助焊劑。

7.2做好焊接工藝控制

在保證焊接質(zhì)量的前提下，焊接過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度和焊接溫度，保證必要的焊接時(shí)間，使助焊劑中的活性劑及溶劑盡可能多的隨高溫分解或揮發(fā)，減小焊后殘留物。

7.3及時(shí)采用清洗工藝

對(duì)于可靠性要求比較高的電子產(chǎn)品，焊接后必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的清洗工藝。為了降低清洗的難度，在PCB完成焊接后應(yīng)盡快進(jìn)入清洗工序，在清洗時(shí)既要針對(duì)非極性殘留物也要針對(duì)極性殘留物，因此需使用極性與非極性的混合溶劑來(lái)清洗才能有效除去殘留物。當(dāng)然，選擇那些對(duì)環(huán)境友好的清洗劑也是需要考慮的方面。

審核編輯：湯梓紅