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摘要：介紹了“國內高可靠性微電子裝備用焊膏”研制工程第三階段的部分工作，針對第二階段研配成功的三款無鉛焊膏和三款有鉛焊膏進行全面的物理化學性能分析，包括焊膏的金屬部分、助焊膏部分和焊膏整體性能在內的17個性能表征項目的驗證及分析，并將驗證數據進行統計分析，對新品焊膏理化性能進行定型認證。同時，為高可靠性微電子工藝用焊膏的性能檢測提供了方法。

關鍵詞：微電子裝備；焊膏；理化性能；定型認證

焊膏作為電子裝聯焊接用的關鍵材料，在焊接過程中直接影響焊接的成功率與可靠性。我國電子工業起步較晚，對錫膏產品的研制投入不足，雖然近年來國內企業已逐漸研發出焊膏的制備技術，能應用于SMT生產中，但由于在質量穩定性和可靠性等方面與國外產品存在一定差距，國內錫膏用戶尤其是高端電子領域用戶仍然在使用進口焊膏。為加強我國錫膏品牌建設，提升國內焊膏產品質量與市場競爭力，“國內高可靠性微電子裝備用焊膏”研制工程應運而生。研制工程通過對國內外焊膏進行全面對比分析，找出國內外產品在理化性能、工藝性能及可靠性等方面的差距，探索理化特性、工藝性與可靠性彼此間的內在關聯性，優化國內品牌的構成成分和配比并進行全面的技術分析，創建一流的焊膏產品，使國內產品邁向全新的技術競爭平臺。研制工程共分為四階段，本文對研制工程第二階段新研配成功的三款無鉛焊膏和三款有鉛焊膏進行全項目理化性能檢測和研究分析。

1研究內容及方法

1.1研究內容

焊膏的材料理化性能分析分為三部分展開，包括金屬部分性能分析、助焊膏部分性能分析、焊膏整體性能分析。焊膏金屬部分研究主要包括金屬含量、合金成分、合金粉末粒度大小及形狀分布；焊膏助焊劑部分研究包括酸值、擴展率、銅鏡腐蝕及銅板腐蝕；焊膏整體部分的研究包括離子鹵化物含量、總鹵、潤濕性、黏度、坍塌試驗、錫珠試驗、黏滯力、表面絕緣電阻及電遷移。

1.2研究方法

采用國內外較為成熟通用的標準方法對焊膏的理化性能進行測試分析，其中除合金成分采用GB/T10574標準、總鹵采用EN14582標準外，其余項目全部采用IPC-TM-650系列標準進行測試，對試驗結果進行評判的主要依據為IPCJ-STD-004B、IPCJ-STD-005A、IPCJ-STD-006C等。應用到的分析手段主要包括顯微組織分析、化學成分分析、電絕緣性能分析、可靠性測試分析等，分析方法主要有：化學滴定法及ICP-OES法對焊膏合金成分進行定量分析；顯微測量法對合金粉末粒度進行分析；離子色譜分析法對鹵化物含量進行定量分析；氧彈燃燒法對焊膏總鹵進行分析；在線監測法測定表面絕緣電阻等。為確保數據的有效性和一致性，針對每個項目都進行了3~5組平行樣進行研究，將研究的數據進行匯總統計與對比分析，從而得到本文的結論。文中涉及的焊膏均進行盲樣編碼測試，樣品編碼“W-1”、“X-1”、“Y-1”代表有鉛焊膏，“W-2”、“X-2”、“Y-2”代表無鉛焊膏。

1.3儀器設備

研究所用的主要儀器設備及型號如下：電感耦合等離子原子發射光譜儀Agilent5100、場發射掃描電子顯微鏡S-4300&Genesis-60、離子色譜儀ICS-1500、SIR在線監測系統SIR-8328、黏滯力測試儀TK.1、高阻儀Agilent4339B等。

2研究結果

2.1金屬部分研究結果

焊膏金屬部分性能優劣直接影響焊接溫度、焊點質量等，且金屬含量與合金成分均是考察焊膏質量一致性的項目。對國內焊膏金屬含量、合金成分、合金粉末粒度大小及形狀分布進行定型分析。三款有鉛焊膏W-1、X-1、Y-1的金屬含量均在89%~91%范圍內，且合金成分均符合Sn63Pb37的要求，合金粉末粒度均符合Type4[1]。三款無鉛焊膏W-2、X-2、Y-2的金屬含量均在87%~89%范圍內，且合金成分均符合SAC305的要求，合金粉末粒度均符合Type4。六款焊膏的金屬部分性能均符合標準要求[2]，金屬含量及粉末粒度測試結果如圖1和圖2所示，合金成分見表1和表2。

2.2助焊劑部分研究結果

焊膏中的助焊劑部分最主要功能是輔助焊接，一般含量較低，但是是影響焊膏性能的決定性因素，需從助焊性及腐蝕性方面對其進行分析，主要包括酸值、擴展率、銅鏡腐蝕及銅板腐蝕等。助焊劑的助焊能力越好，焊膏的鋪展面積就越大，即擴展率就越大，Y-1焊膏的擴展率值最高，說明其助焊劑的助焊能力最好，六款焊膏的擴展率結果如圖3所示。酸值越高即酸性越強，去除表面金屬氧化物的能力一般也越強，但如果焊接后助焊劑沒有完全揮發或殘留物未被清洗，其殘留物會增加線路板腐蝕、漏電、電遷移等的風險，因此酸值需控制在一定范圍內，酸值結果如圖4所示。銅鏡腐蝕和銅板腐蝕分別考察焊前焊劑和焊后殘留物的腐蝕性。本次定型試驗的六款焊膏銅鏡腐蝕結果均為“銅膜減薄，未見穿透性腐蝕”，符合L級，說明焊接前對器件的腐蝕性影響很小。銅板腐蝕試驗結果顯示，有鉛焊膏X-1和無鉛焊膏Y-2出現輕微腐蝕現象，其余四款焊膏無明顯腐蝕，說明X-1和Y-2焊膏存在焊后腐蝕的風險。

2.3焊膏整體部分研究結果

離子鹵化物含量和總鹵分別考察焊膏游離的鹵素離子和整體鹵素離子的含量，通常出現Cl-、Br-的情況較多。含鹵化合物是焊膏活性物質的主要成分之一，高含量活性物質會方便焊接，但活性物質在焊接過程中殘留量過高則會造成器件腐蝕。三款有鉛焊膏中，W-1離子鹵化物含量為M1級，總鹵中存在氯和溴，Y-1為L1級，總鹵測試中存在溴，二者溴含量均高于900mg/kg；三款無鉛焊膏中W-2鹵化物含量為L1級，總鹵結果溴含量均高于900mg/kg，說明W-1、Y-1、W-2三款焊膏存在對電路板元器件造成腐蝕的風險[3]。六款焊膏的離子鹵化物含量及總鹵結果見表3。潤濕性試驗考察焊膏焊接過程中的鋪展能力，根據IPCJ-STD004B的要求，焊膏熔化后不應存在潤濕不良或反浸潤現象，且印刷圖形周圍無焊錫飛濺物。本次定型試驗的六款焊膏潤濕性試驗結果均為“浸潤良好，印刷圖形周圍無焊錫飛濺物”，符合技術要求。坍塌試驗考察焊膏的抗坍塌性，六款焊膏試驗結果均符合IPC-J-STD-005A產品的技術要求。錫珠試驗考察錫膏加熱融化后，在抗潤濕基材上收縮成一顆錫球的能力與不飛濺的能力。在印刷后0h和4h分別進行錫珠測試，對焊錫膏的品質提出了更高要求，六款焊膏結果均為“錫膏融化形成大圓球，周圍有少量可接受的小錫球”，說明六款焊錫膏融化過程中存在錫珠飛濺、炸錫等風險低，且基本無錫珠引起導體短路的風險。焊膏的黏度可以反映焊膏流動的難易程度，可在焊膏產品應用過程中作為質量一致性批次檢的重點考察項目。本次定型試驗的六款焊膏黏度值結果如圖5所示。黏滯力評價焊膏隨著時間改變是否有足夠的黏滯力將元器件固定，分別測試焊膏在初始時和放置8h后的黏滯力，用來模擬在生產制造過程中將會產生的變量。將錫膏放置8h后測得的黏滯力F2和初始值F1相比，得出ΔF，黏滯力之比ΔF越接近100%，說明錫膏的穩定性較好。本次定型試驗的六款焊膏黏滯力分析結果見表4。。表面絕緣電阻和電遷移共同考察了焊膏焊接后在不同溫濕度條件下的短期/長期加電作用下的電絕緣性能。六款焊膏的表面絕緣電阻測試結果均符合IPCJ-STD-004B技術要求，說明其在短時間內的電絕緣性能均良好。電遷移測試結果均符合技術要求，說明六款焊膏在高溫高濕和長期加電的條件下導致金屬電極發生腐蝕的風險基本可以忽略。六款焊膏表面絕緣電阻及電遷移分析結果見表5和表63研究結論本文對“國內高可靠性微電子裝備用焊膏”研制工程第二階段研配成功的六款錫膏進行理化性能定型試驗，包括基礎理化性能、腐蝕性、電絕緣性、印刷性等共計17個試驗項目。通過對驗證結果進行分析發現，六款焊膏在理化性能方面，金屬部分性能均滿足技術要求，電絕緣性能良好，電遷移測試結果優于國外焊膏，但在腐蝕性能方面，有鉛焊膏X-1和無鉛焊膏Y-2存在焊后腐蝕的風險，后續需重點優化與管控。本文僅對焊膏的理化性能進行定型試驗分析，需綜合后續工藝性與可靠性定型試驗結果，最終對國內新品焊膏進行定型。

參考文獻

[1]IPC.Requirementsforsolderingpastes:IPCJ-STD-005A[S].Lincolnwood:HISInc,2012.

[2]IPC.Requirementsforelectronicgradesolderalloysandfluxandnon-fluxedsolidsoldersforelectronicsolderingapplicationspastes:IPCJ-STD-006C[S].Lincolnwood:HISInc,2013.

[3]IPC.Requirementsforsolderingfluxes:IPCJ-STD-004[S].Lincolnwood:HISInc,2012.

作者：鄭冰潔 張瑩潔 張培強 劉子蓮 羅道軍 單位：工業和信息化部電子第五研究所