焊锡膏基础知识科普+锡膏成分分析案例分享
电子说
描述
SMT是表面组装技术（表面贴装技术）Surface Mount Technology的缩写，是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。
SMT技术主要包括：锡膏印刷、精确贴片、回流焊接。其中，锡膏印刷质量对SMT产品的质量影响很大。据业内评测分析约有60%的返修板子是因锡膏印刷不良引起的。所以，针对于锡膏本身的研究，对优化SMT工艺关键环节、提高产品质量有着重要意义。
焊锡膏的组成 PART 01
焊锡膏是将焊料粉末与具有助焊功能的糊状助焊剂(松香、稀释剂、稳定剂等)混合而成的一种浆料。就重量而言，80~90%是金属合金，就体积而言，金属和焊剂各占50%。
图3锡膏颗粒形貌图（SEM）（左）
图4 锡粉表面包覆示意图 （右）
焊锡膏的焊剂是锡粉颗粒的载体，它供应最合适的流变性与湿度，促进热量传递到SMT贴片区，缩减焊料的液体表面张力。在这当中不一样的成分表现出不同的作用：
①溶剂：该成分焊剂成分的溶剂，在锡膏的搅伴操作过程上具有自动调节均匀的的作用，对焊锡膏产品寿命有较大影响。
②树脂：起到加大锡膏粘结性，还有修复和防止焊后PCB再度氧化性的重要作用，该项基本成分对零件固定达到至关重要的作用。
③活化剂：起到去除PCB铜膜通孔表层及零件SMT贴片部位的氧化性物质的作用，同时具有缩减锡、铅液体表面张力的功效。
④触变剂：自动调节焊锡膏的粘度，在印刷中起到防止拖尾、粘连等情况的的重要作用。
焊锡膏的分类 PART 02锡膏的质量也会直接影响到SMT贴片加工的焊接质量，并且针对不同的生产工艺和产品也需要选择不同种类的锡膏。常见的锡膏分类如下：
| 分类方法 |
锡膏细分类 |
指标、特点 |
|
铅含量 |
有铅锡膏 |
如：SnPb63：37 |
|
无铅锡膏 |
如：SnAgCu96.50.5 |
|
|
合金焊料熔点 |
高温锡膏 |
＞217℃ |
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中温锡膏 |
173~200℃ |
|
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低温锡膏 |
138~173℃ |
|
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清洗方式 |
有机溶剂清洗类 |
松香焊膏 |
|
水清洗类 |
活性较强 |
|
|
半水清洗类 |
一般不含Cl离子、比较环保 |
|
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免清洗类 |
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|
焊剂活性 |
R级 无活性 |
航天、航空产品焊接 |
|
RMA级 中度活性 |
军事、高可靠性电路组件 |
|
|
RA级 完全活性 |
消费类电子产品 |
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|
SRA级 超活性 |
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|
其他 |
按黏度、合金颗粒大小分类 |
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图5 松香助焊剂红外谱图 图6 无铅焊锡膏
焊锡膏检测项目 PART 03SMT贴片加工过程中，为保证产品成型质量高，对于焊膏有许多要求，比如：需要良好的润湿性能，即选用焊剂中活性剂和润湿剂成分，以便达到润湿性能要求等，针对各项指标，焊锡膏的常规测试项目如下：
图7 回流焊中的“锡珠”现象 （左）
图8 电子元器件IC芯片“桥连”现象（右）
锡膏（Solder Paste）是一种广泛应用于PCB表面贴装技术的焊接材料，其成分复杂，通常是由焊料合金粉末、有机小分子和高分子等多成分构成的灰色膏体。锡膏的成分和性能对电子装联产品的可靠性起到关键的作用，因此分析锡膏的成分对保持锡膏的一致性和装联产品的可靠性具有重大意义和必要性。
一、锡膏的前处理
-
称取一定量样品置于标准离心管中，用一定量有机溶剂超声助溶解，得到灰色混合体，静置10min下层为灰色金属粉末，上层为溶液和悬浮物的混合液；
-
分离灰色金属粉末和上层混合液，并对金属粉末低温烘干称量、备用；
-
将上层混合液离心分离，得到溶液部分和悬浮物沉淀，对悬浮物沉淀低温烘干称量、备用。
二、检测分析 01金属粉末
称量烘干后的金属粉末，可得知金属粉末在锡膏的含量为88.13%。对金属粉末采用ICP-OES进行测试，测试结果表1
|
序号 |
组分 |
检出限 （mg/kg） |
测试结果 （mg/kg） |
|
1 |
铋(Bi) |
10 |
5.31×104 |
|
2 |
锑(Sb) |
10 |
5.22×104 |
|
3 |
银(Ag) |
10 |
3.25×104 |
|
4 |
铜(Cu) |
10 |
7.10×103 |
|
5 |
铅(Pb) |
10 |
345 |
|
6 |
镍(Ni) |
10 |
326 |
|
7 |
钠(Na) |
10 |
286 |
|
8 |
铁(Fe) |
10 |
168 |
测试结果主要是铋、锑、银、铜四种金属元素和铅、镍、钠、钠等杂质元素。锡含量由余量法可得85.40%
02上层混合液中的溶液
采用GC-MS进行测试可知其主要物质是二乙二醇己醚、松香和苯并三氮唑。色谱图如图1，质谱匹配信息如图2-4。
图1
图2
图3
图4
对上述结果采用标准物质不同浓度的GC-MS测定得到的标准曲线进行定量分析，测试并计算结果见表2
|
序号 |
组分 |
检出限 （mg/kg） |
测试结果 （mg/kg） |
|
1 |
二乙二醇己醚 |
10 |
6.91×104 |
|
2 |
苯并三氮唑 |
10 |
1.02×103 |
同时使用IC对溶液中可能含有的有机酸进行测定，其图谱为图5
图5
经分析图5中的45.46min的出峰是苹果酸信号，并根据标准曲线计算可得苹果酸在锡膏中的含量为0.098mg/L.
03悬浮物
称量烘干后的悬浮物，可得知其在锡膏中的含量为0.10%。使用FT-IR对悬浮物进行测试，其红外谱图如图6，物质匹配如图7。
图6
图7
3301cm-1酰胺基的-NH的伸缩振动，2916 cm-1、2850 cm-1是-CH2的伸缩振动，1632 cm-1是羰基的-C=O的伸缩振动，1536 cm-1是N-H的面内弯曲，1469cm-1是CH2的变角振动，1240 cm-1是C-N的伸缩振动，719 cm-1是CH2的面内摇摆振动，687 cm-1是N-H面外弯曲振动。由红外光谱结果可知悬浮物是聚酰胺类物质，结合其在溶液中的存在形式为悬浮，可推测悬浮物为酰胺类低聚物。
三、辅助分析
1、金属粉末SEM+EDS电镜扫描及能谱分析
金属粉末的电镜扫描形貌图8，元素能谱图9-11
图8
图9
图10
图11
从以上能谱分析中可知金属粉末主要是锡、铋、锑、银、铜五种元素，此结果ICP-OES测试结果一致。
2、锡膏本体的红外光谱分析
锡膏本体的红外谱图如图12，物质匹配如图13
图12
图13
2926cm-1、2862 cm-1是-CH2的对称及反对称伸缩振动，1696、1634cm-1是羰基的-C=O的伸缩振动，1458 cm-1、1385 cm-1是CH2的弯曲振动，1104cm-1是(CH3)2CHR伸缩振动，1065 cm-1是C-C伸缩振动。由红外光谱图结果及匹配结果可知锡膏本体为松香类物质，此结果与GC-MS中的松香信息一致。
四、分析结论
|
序号 |
组分名称 |
CAS No. |
含量 % |
主要功能 |
|
|
1 |
金属 粉末 |
锡(Sn) |
7440-31-5 |
75.3 |
焊接 |
|
2 |
铋(Bi) |
7440-69-9 |
4.7 |
||
|
3 |
锑(Sb) |
7440-36-0 |
4.6 |
||
|
4 |
银(Ag) |
7440-22-4 |
2.9 |
||
|
5 |
铜(Cu) |
7440-50-8 |
0.6 |
||
|
6 |
溶液 |
二乙二醇 单己醚 |
112-59-4 |
6.9 |
溶剂 |
|
7 |
松香 |
/ |
4.7 |
成膜剂 |
|
|
8 |
苹果酸 |
6915-15-7 |
0.1 |
活性剂 |
|
|
9 |
苯并三氮唑 |
95-14-7 |
0.1 |
缓蚀剂 |
|
|
10 |
悬浮物 |
酰胺低聚物 |
/ |
0.1 |
触变剂 |
审核编辑 ：李倩
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