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摘要：细微元器件的SMT工艺中，印刷与焊接不良明显增加。本文对锡膏的印刷过程、焊接原理进行分析，通过在锡膏助焊剂添加纳米颗粒，用来改善焊锡膏的触变、脱模能力，并增强焊锡膏的润湿性。实验表明，添加纳料粒子的焊锡膏，特别是在锡粉料径在20μm以下的应用中效果明显。本研究对于01005等细微元器件的普及应用有较大意义。
关键词：SMT、01005、03015、纳米颗粒、焊锡膏、脱模
1 精密SMT工艺对锡膏的要求
随着移动互联网和智能技术的普及，便携式电子产品向轻、薄、软、小发展，元器件在PCB上的组装密度越来越大、焊盘尺寸越来越小。而在0201、01005、03015等细微元器件焊接时，锡膏颗粒的大小和一致性对印刷质量有重要影响[1]。按照钢网开孔规范，宽厚比>1.5的原则[2]，01005、03015元器件的印刷钢网厚度将分别小于0.13mm、0.1mm。一般采用0.8-0.6mm厚度钢网[3]，以满足钢网开孔面积/孔壁积>0.66，保证基本的脱模要求[4]。
通过实践证明，焊膏厚度方向至少保证三层以上锡粉，才能获得良好的印刷效果，用户推荐使用5#粒径（15-25μm）以下的超细锡粉更好的保证印刷质量[3]。
由于锡粉粒徑小，单位质量的锡粉表面积增大，氧含量迅速升高。助焊剂需要更强的去氧化能力，但又要保证锡粉不会在常温里与酸性较强的助焊剂发生反应，产生变质[5]。
由于焊盘宽度小，钢网的宽厚比较小，锡膏需要非常好的脱模能力，才能确保焊盘上得到足够的锡膏量，完成合格焊接。
钢网开孔较小，细颗粒锡粉团聚将产生堵网，或者因助焊活性不够而产生不熔合状况，造成虚焊、头枕效应等焊接缺陷。
精密焊锡膏还必须具有良好的触变性能，防止因锡膏坍塌，而造成细间距引脚间的短路、放电、电迁移故障[6]。
2 细微颗粒对精密SMT锡膏性能的影响
2.1 微细颗料的相互作用力
微细颗粒之间的作用力主要包括范德华力、静电力、液体桥力、固体桥力、化学键作用力。
图1中为两个不同球径的固体颗粒R1、R2在液相环境中产生液相桥力的原理示意图。表面张力较大的液体在两个颗料间形成液体桥，通过液体桥力的作用，两颗粒连接在一起，当二者距离足够近的时候，各种作用力何持平衡，颗粒间保持确定位置。根据能量守恒原理，液体桥此时作用在固体颗粒R1、R2上的液体桥力相等。由于R2球径小，重量轻，受液体桥力影响，依附在较大颗粒表面，当二者球径差距较大时，大颗粒表面会覆盖一层小颗粒。
微细颗粒间的化学键作用力，也会对焊锡膏的性能产生影响[7]。
2.2 微细颗料对焊锡膏性能的影响
锡膏助焊剂一般选择成膜性较好、表面张力系数大的有机溶剂和各种助焊成份的固体颗粒组成，部分固体溶解到溶剂中。为保持助焊剂的粘度，助焊剂生产时提高混合温度，加速溶解。助焊剂混合完成后，冷却到室温，这时因溶液处于过饱合溶解状态。随时间延长，助焊剂中会产生偏析，析出结晶会继续生长，形成较大颗粒。这就是锡膏助焊剂的返粗现象。
当助焊剂固体颗粒大于锡粉粒径时，由于液体桥力的作用，形成锡粉团聚现象，如图2所示。造成锡膏颗粒明显增大，产生印刷堵网、少锡膏现象。
又因为产生锡粉团聚，使每一处的锡粉接触的活性物质比例不一样，助焊剂的去氧化能力大大降低。易产生锡球、虚焊等缺陷。
锡膏中的触变剂粒径与印刷性能有较大影响。以常用的聚酰胺蜡触变剂为例，分析触变原理。
聚酰胺蜡在溶剂中呈悬浮状，因为颗粒间除了与其他固体粒子之间的液体桥力以外，还具有羟基（ROH）、和酰胺基（C3-H7-N-O），其强烈的氢键引力，使其液桥结构在静置时更加稳固，很容易在助焊剂中形成网状结构，达到防沉效果。而在运动时，固体颗粒受外力作用，产生相对的剪切移动，液体桥被破坏，颗粒间的作用力迅速减小，粘度降低。
聚酰胺蜡颗粒球径一般约为20μm。在25μm粒径以上的3#、2.5#锡粉混合时，会有很好的效果。但在具有相近球径的4#锡粉，特别是粒径小于聚酰胺蜡粒径的5#、6#锡粉，会产生在触变网格内的局部锡粉团聚，造成锡膏颗粒粗大，影响印刷。如图3所示。
2.3 助焊剂中的纳米颗粒对锡膏性能影响
将助焊剂中的固体颗粒加工到400nm以下时，由于液体桥力作用，锡粉表面将覆盖一层助焊剂活性粒子，助焊剂活性得到均匀分配，助焊剂的除氧化层能力得到加强。锡粉之间不易产生团聚现象，印刷不易堵网，如图4所示。
触变剂颗粒加工至400nm以下粒径，对微细锡粉的触变及防沉性能可得到有效提高。
如图5所示，触变剂颗粒小于400nm时，形成细密的网状结构，使锡粉不易产生团聚和沉降。有效提高锡膏的印刷性能和使用寿命。
如图6所示，粒径在1-100nm的固体颗粒在作相对运动的两个表面之间，起到“球轴承”的作用，减少摩擦力，实现滚动润滑[8]。
如图7所示，。摩擦过程中纳米粒子能填平摩擦表面凹处甚至陷入基体中，形成薄膜改善摩擦表面的形貌，降低了摩擦系数，减小了磨擦力[8]。
添加纳米粒子的焊锡膏，由于滚动、薄膜润滑作用，锡膏与钢网孔壁更容易分离，降低发生拉尖、沾锡等印刷缺陷。
3 纳米焊锡膏的制备与验证
3.1 锡膏纳米助焊剂制备
锡膏助焊剂因为需要保持一定的粘度，溶剂比例较少，一般在20-35%左右，各种有机助焊物质呈过饱合溶解状态，是一和固液共存的膏状物体。
锡膏助焊剂在混合乳化过程中为缩短搅拌时间，提高混合效率，都会在加热环境下乳化混合，一般在100℃以上[9]。乳化完成后，助焊剂冷却到室温，通过研磨，助焊剂中颗粒均被破碎成微小颗粒，粒径一般在15μm以下。 在助焊剂保存期间，由于存在过饱合溶液，各种有机酸、松香等缓慢析出结晶，晶粒尺寸随时持续长大，当溶液中过饱合溶质完全析出，晶粒不再生长。在溶液中偏析形成的结晶颗粒，为疏松枝状或絮状，受挤压、剪切外力易被破碎成更小的晶粒。通过二次研磨技术[10]，可使固体颗粒保持续在10μm以下，部分晶粒分离形成600nm以下的纳米颗粒。
以聚酰胺腊触变剂为例，根据专利技术[11]所提供方法，制成纳米颗粒触变剂。添加到锡膏助焊剂中，触变剂添加时应降低搅拌温度[9]，以防止触变剂在高温下分解。
3.2 纳米焊锡膏在实际应用中的验证
用以上上方法制备的助焊剂，与焊锡粉以11.5：88.5比例均匀混合，制得无铅无卤素焊锡膏。焊锡粉合金为Sn96.5Ag3.0Cu0.5。
纳米助焊剂配制的锡膏样品b，与某美资品牌相同合金成份和锡粉粒径的锡膏样品a。在同一生产线，相同印刷及回流参数下，焊接效果对比。
锡膏合金成份：Sn96.5Ag3.0Cu0.5
锡粉粒径：15-25μm
印刷機参数：
印刷机品牌-MPM；印刷压力-7kgf；印刷速度-80mm/S；脱模方式-快速脱模；擦网频率-4pcs/times；
PCB材质：环氧玻纤布基板，手机主板
最小焊盘尺寸、间距：0.20*0.20mm，0.4Pitch
炉温设定：10温区（℃），100，120，135，155，170，185，195，250，245，245。
计划焊接智能手机主板各3400PCS，部分印刷、焊接效果如图8。
从图8可以看出，应用纳米技术的焊锡膏，印刷和焊接效果都优于常规焊锡膏。表1为样品a、样品b实际印刷焊接效果对比。
由表1可知，纳米无铅焊锡膏的各项性能均优于常规无铅焊锡膏，在大批量生产制程中，优势更加明显。
4 结论
纳米粒子在锡膏助焊剂中的作用总结如下：
1、在锡粉表面形成活性粒子包覆，活性成份均匀分布，使焊接过程中助焊剂的活性得到最大释放，提高助焊剂除氧润湿性能。
2、纳米触变剂颗粒，在精密印刷特别是在小径锡粉的应用中，有效防止锡粉团聚和沉降，减少堵网、漏印等印刷缺陷。
3、纳米粒子在钢网孔壁形成滚动和薄膜润滑，减少锡膏沾网造成的拉尖、连锡、少锡膏等缺陷。
4、用包含纳米颗粒成份的助焊剂配制成锡膏，可在印刷、焊接过程中大大降低不良率。
在细微元器件大量应用于电子产品的技术趋势下[3]，本研究内容的纳米焊锡膏制备较简易，过程易控制，适应于大批量生产。对于小尺寸、细间距、高密度的SMT电子组装工艺有较大的现实意义。
参考文献：
[1]荀弘昕，浅谈0201与01005装配工艺[J]。现代表面贴装资讯，2007，（4），14-16
[2]李根，简析网板开口与SMT不良的关系 [C]。2015北京国际SMT技术交流会议论文集，北京，北京电子学会SMT技术委员会。2015，27，
[3]孙磊，微型元器件的先进组装工艺[R]。深圳，中兴通讯股份有限公司。2016，
[4]IPC-7525A，Stencil Design Guidelines[S]。2004。
[5]张富文，从焊粉角度探讨锡膏发干问题[C]。中国电子协会锡焊料分会第二十三届年会论文集，南京，中国电子材料协会锡焊料分会。2016，68-98，
[6]金霞，郭建军，顾小龙等，锡膏助焊剂在钎焊过程中的作用机理探讨[J]。焊接技术，2009，（10），38-41。
[7]张文斌，祁海鹰，由长福等，影响应微细颗粒团聚的粘性力分析[J]。中国粉体技术，2001，（7），143-145。
[8]张东伟，纳米材料作为润滑油添加剂的研究进展[J]。科技成果管理与研究，2009，（10），76-80。
[9]丰田良孝，今井文裕，无铅锡膏：中国，CN 103038019 A [P].2013-04-10.
[10]戴爱斌，尹计深，陈世远，一种高性能无铅焊锡膏用无卤素助焊剂及其制备方法：中国，CN 104175024 A [P].2014-12-03.
[11]戴爱斌，徐成群，邓勇，一种高精密纳米焊锡膏用助焊剂：中国，CN 105345314 A [P].2016-02-24.
[12]IPC联合工业标准联接工艺委员会.J-STD-005 CN-1995 [S].上海：1995.
作者简介：
戴爱斌（1974年出生），男，湖南株洲人，大专毕业，中级工程师。研究方向：电子新材料，现于江苏广昇新材料有限公司从事电子焊料、纳米金属的研发、生产管理工作，任副总经理一职。
关键词：SMT、01005、03015、纳米颗粒、焊锡膏、脱模
1 精密SMT工艺对锡膏的要求
随着移动互联网和智能技术的普及，便携式电子产品向轻、薄、软、小发展，元器件在PCB上的组装密度越来越大、焊盘尺寸越来越小。而在0201、01005、03015等细微元器件焊接时，锡膏颗粒的大小和一致性对印刷质量有重要影响[1]。按照钢网开孔规范，宽厚比>1.5的原则[2]，01005、03015元器件的印刷钢网厚度将分别小于0.13mm、0.1mm。一般采用0.8-0.6mm厚度钢网[3]，以满足钢网开孔面积/孔壁积>0.66，保证基本的脱模要求[4]。
通过实践证明，焊膏厚度方向至少保证三层以上锡粉，才能获得良好的印刷效果，用户推荐使用5#粒径（15-25μm）以下的超细锡粉更好的保证印刷质量[3]。
由于锡粉粒徑小，单位质量的锡粉表面积增大，氧含量迅速升高。助焊剂需要更强的去氧化能力，但又要保证锡粉不会在常温里与酸性较强的助焊剂发生反应，产生变质[5]。
由于焊盘宽度小，钢网的宽厚比较小，锡膏需要非常好的脱模能力，才能确保焊盘上得到足够的锡膏量，完成合格焊接。
钢网开孔较小，细颗粒锡粉团聚将产生堵网，或者因助焊活性不够而产生不熔合状况，造成虚焊、头枕效应等焊接缺陷。
精密焊锡膏还必须具有良好的触变性能，防止因锡膏坍塌，而造成细间距引脚间的短路、放电、电迁移故障[6]。
2 细微颗粒对精密SMT锡膏性能的影响
2.1 微细颗料的相互作用力
微细颗粒之间的作用力主要包括范德华力、静电力、液体桥力、固体桥力、化学键作用力。
图1中为两个不同球径的固体颗粒R1、R2在液相环境中产生液相桥力的原理示意图。表面张力较大的液体在两个颗料间形成液体桥，通过液体桥力的作用，两颗粒连接在一起，当二者距离足够近的时候，各种作用力何持平衡，颗粒间保持确定位置。根据能量守恒原理，液体桥此时作用在固体颗粒R1、R2上的液体桥力相等。由于R2球径小，重量轻，受液体桥力影响，依附在较大颗粒表面，当二者球径差距较大时，大颗粒表面会覆盖一层小颗粒。
微细颗粒间的化学键作用力，也会对焊锡膏的性能产生影响[7]。
2.2 微细颗料对焊锡膏性能的影响
锡膏助焊剂一般选择成膜性较好、表面张力系数大的有机溶剂和各种助焊成份的固体颗粒组成，部分固体溶解到溶剂中。为保持助焊剂的粘度，助焊剂生产时提高混合温度，加速溶解。助焊剂混合完成后，冷却到室温，这时因溶液处于过饱合溶解状态。随时间延长，助焊剂中会产生偏析，析出结晶会继续生长，形成较大颗粒。这就是锡膏助焊剂的返粗现象。
当助焊剂固体颗粒大于锡粉粒径时，由于液体桥力的作用，形成锡粉团聚现象，如图2所示。造成锡膏颗粒明显增大，产生印刷堵网、少锡膏现象。
又因为产生锡粉团聚，使每一处的锡粉接触的活性物质比例不一样，助焊剂的去氧化能力大大降低。易产生锡球、虚焊等缺陷。
锡膏中的触变剂粒径与印刷性能有较大影响。以常用的聚酰胺蜡触变剂为例，分析触变原理。
聚酰胺蜡在溶剂中呈悬浮状，因为颗粒间除了与其他固体粒子之间的液体桥力以外，还具有羟基（ROH）、和酰胺基（C3-H7-N-O），其强烈的氢键引力，使其液桥结构在静置时更加稳固，很容易在助焊剂中形成网状结构，达到防沉效果。而在运动时，固体颗粒受外力作用，产生相对的剪切移动，液体桥被破坏，颗粒间的作用力迅速减小，粘度降低。
聚酰胺蜡颗粒球径一般约为20μm。在25μm粒径以上的3#、2.5#锡粉混合时，会有很好的效果。但在具有相近球径的4#锡粉，特别是粒径小于聚酰胺蜡粒径的5#、6#锡粉，会产生在触变网格内的局部锡粉团聚，造成锡膏颗粒粗大，影响印刷。如图3所示。
2.3 助焊剂中的纳米颗粒对锡膏性能影响
将助焊剂中的固体颗粒加工到400nm以下时，由于液体桥力作用，锡粉表面将覆盖一层助焊剂活性粒子，助焊剂活性得到均匀分配，助焊剂的除氧化层能力得到加强。锡粉之间不易产生团聚现象，印刷不易堵网，如图4所示。
触变剂颗粒加工至400nm以下粒径，对微细锡粉的触变及防沉性能可得到有效提高。
如图5所示，触变剂颗粒小于400nm时，形成细密的网状结构，使锡粉不易产生团聚和沉降。有效提高锡膏的印刷性能和使用寿命。
如图6所示，粒径在1-100nm的固体颗粒在作相对运动的两个表面之间，起到“球轴承”的作用，减少摩擦力，实现滚动润滑[8]。
如图7所示，。摩擦过程中纳米粒子能填平摩擦表面凹处甚至陷入基体中，形成薄膜改善摩擦表面的形貌，降低了摩擦系数，减小了磨擦力[8]。
添加纳米粒子的焊锡膏，由于滚动、薄膜润滑作用，锡膏与钢网孔壁更容易分离，降低发生拉尖、沾锡等印刷缺陷。
3 纳米焊锡膏的制备与验证
3.1 锡膏纳米助焊剂制备
锡膏助焊剂因为需要保持一定的粘度，溶剂比例较少，一般在20-35%左右，各种有机助焊物质呈过饱合溶解状态，是一和固液共存的膏状物体。
锡膏助焊剂在混合乳化过程中为缩短搅拌时间，提高混合效率，都会在加热环境下乳化混合，一般在100℃以上[9]。乳化完成后，助焊剂冷却到室温，通过研磨，助焊剂中颗粒均被破碎成微小颗粒，粒径一般在15μm以下。 在助焊剂保存期间，由于存在过饱合溶液，各种有机酸、松香等缓慢析出结晶，晶粒尺寸随时持续长大，当溶液中过饱合溶质完全析出，晶粒不再生长。在溶液中偏析形成的结晶颗粒，为疏松枝状或絮状，受挤压、剪切外力易被破碎成更小的晶粒。通过二次研磨技术[10]，可使固体颗粒保持续在10μm以下，部分晶粒分离形成600nm以下的纳米颗粒。
以聚酰胺腊触变剂为例，根据专利技术[11]所提供方法，制成纳米颗粒触变剂。添加到锡膏助焊剂中，触变剂添加时应降低搅拌温度[9]，以防止触变剂在高温下分解。
3.2 纳米焊锡膏在实际应用中的验证
用以上上方法制备的助焊剂，与焊锡粉以11.5：88.5比例均匀混合，制得无铅无卤素焊锡膏。焊锡粉合金为Sn96.5Ag3.0Cu0.5。
纳米助焊剂配制的锡膏样品b，与某美资品牌相同合金成份和锡粉粒径的锡膏样品a。在同一生产线，相同印刷及回流参数下，焊接效果对比。
锡膏合金成份：Sn96.5Ag3.0Cu0.5
锡粉粒径：15-25μm
印刷機参数：
印刷机品牌-MPM；印刷压力-7kgf；印刷速度-80mm/S；脱模方式-快速脱模；擦网频率-4pcs/times；
PCB材质：环氧玻纤布基板，手机主板
最小焊盘尺寸、间距：0.20*0.20mm，0.4Pitch
炉温设定：10温区（℃），100，120，135，155，170，185，195，250，245，245。
计划焊接智能手机主板各3400PCS，部分印刷、焊接效果如图8。
从图8可以看出，应用纳米技术的焊锡膏，印刷和焊接效果都优于常规焊锡膏。表1为样品a、样品b实际印刷焊接效果对比。
由表1可知，纳米无铅焊锡膏的各项性能均优于常规无铅焊锡膏，在大批量生产制程中，优势更加明显。
4 结论
纳米粒子在锡膏助焊剂中的作用总结如下：
1、在锡粉表面形成活性粒子包覆，活性成份均匀分布，使焊接过程中助焊剂的活性得到最大释放，提高助焊剂除氧润湿性能。
2、纳米触变剂颗粒，在精密印刷特别是在小径锡粉的应用中，有效防止锡粉团聚和沉降，减少堵网、漏印等印刷缺陷。
3、纳米粒子在钢网孔壁形成滚动和薄膜润滑，减少锡膏沾网造成的拉尖、连锡、少锡膏等缺陷。
4、用包含纳米颗粒成份的助焊剂配制成锡膏，可在印刷、焊接过程中大大降低不良率。
在细微元器件大量应用于电子产品的技术趋势下[3]，本研究内容的纳米焊锡膏制备较简易，过程易控制，适应于大批量生产。对于小尺寸、细间距、高密度的SMT电子组装工艺有较大的现实意义。
参考文献：
[1]荀弘昕，浅谈0201与01005装配工艺[J]。现代表面贴装资讯，2007，（4），14-16
[2]李根，简析网板开口与SMT不良的关系 [C]。2015北京国际SMT技术交流会议论文集，北京，北京电子学会SMT技术委员会。2015，27，
[3]孙磊，微型元器件的先进组装工艺[R]。深圳，中兴通讯股份有限公司。2016，
[4]IPC-7525A，Stencil Design Guidelines[S]。2004。
[5]张富文，从焊粉角度探讨锡膏发干问题[C]。中国电子协会锡焊料分会第二十三届年会论文集，南京，中国电子材料协会锡焊料分会。2016，68-98，
[6]金霞，郭建军，顾小龙等，锡膏助焊剂在钎焊过程中的作用机理探讨[J]。焊接技术，2009，（10），38-41。
[7]张文斌，祁海鹰，由长福等，影响应微细颗粒团聚的粘性力分析[J]。中国粉体技术，2001，（7），143-145。
[8]张东伟，纳米材料作为润滑油添加剂的研究进展[J]。科技成果管理与研究，2009，（10），76-80。
[9]丰田良孝，今井文裕，无铅锡膏：中国，CN 103038019 A [P].2013-04-10.
[10]戴爱斌，尹计深，陈世远，一种高性能无铅焊锡膏用无卤素助焊剂及其制备方法：中国，CN 104175024 A [P].2014-12-03.
[11]戴爱斌，徐成群，邓勇，一种高精密纳米焊锡膏用助焊剂：中国，CN 105345314 A [P].2016-02-24.
[12]IPC联合工业标准联接工艺委员会.J-STD-005 CN-1995 [S].上海：1995.
作者简介：
戴爱斌（1974年出生），男，湖南株洲人，大专毕业，中级工程师。研究方向：电子新材料，现于江苏广昇新材料有限公司从事电子焊料、纳米金属的研发、生产管理工作，任副总经理一职。