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选择正确的助焊剂: 不同类型助焊剂的优缺点

选择正确的助焊剂: 不同类型助焊剂的优缺点

选择焊工艺选用的助焊剂对焊点的质量、长期可靠性和选择焊的整体性能的影响非常大,但这个问题经常被忽视。本文简要地介绍选择焊常用的助焊剂的关键因素,以及这些助焊剂对焊点质量、可靠性的影响和对设备性能的影响。

助焊剂基本上可以分为三种主要类型 :

  • 低固含量免清洗助焊剂
  • 松香助焊剂(全固态松香 / 高固含量松香)
  • 水溶性助焊剂

在讨论选择焊工艺使用的助焊剂时,我们通常指的是低固含量免清洗助焊剂,这类助焊剂是在选择焊中最常用的助焊剂。

如果一家公司在他们的选择焊工艺中使用全松香助焊剂或水溶性助焊剂,他们通常会严格按照客户的要求或行业的规定使用这类助焊剂,并且他们一般都是按照常规的可靠性标准生产常规产品。由于这两种类型的助焊剂的焊接性能都很好,因此很少去评估它们的焊接结果。不过,大多数公司在进行选择焊时都尽可能避免使用这两类助焊剂,因为使用它们就必须设置昂贵的清洗工艺。不管怎样,选择焊的好处之一是可以选择助焊剂,从而省掉清洗工艺。

需要注意的是,如果你需要在自己的选择焊工艺中使用松香助焊剂或水溶性助焊剂,那么,你应当咨询你的设备制造商,确定在处理这些类型的助焊剂时你是否有选择适合的类型或材料的余地。

低固含量免清洗助焊剂细分为以下几类:

  • 酒精基助焊剂,含松香或含树脂
  • 酒精基助焊剂,无松香或树脂
  • 水基助焊剂,无松香或树脂(无挥发性有机化合物);在极少数情况中会含松香或树脂

根据这个分类,有很多制造商和更多的助焊剂可供选择。那么,你会如何做决定呢?即使你的客户、公司的管理层,或者你现有的制造工艺要求你使用某种助焊剂,在这种情况下,重要的是要搞清楚,如果你使用了这种助焊剂,它对你的选择焊工艺是有利的还是不利的。

一般地说,与松香助焊剂或水溶性助焊剂相比,低固含量免清洗助焊剂中的活性化学成分比较少,对焊接的挑战性更大。有些助焊剂是用来解决某些特殊问题的,可能是一些你没有遇到过的问题 ;但是,这些助焊剂在解决其他方面的问题时也许会有不足的地方,这又是个问题。经常出现的情况是,你生产的产品类型可能会影响最适合你的工艺的助焊剂。或者,说的更直接点,就是你制造的产品种类非常多,这可能会影响你对助焊剂的选择,甚至是不同的产品可能要求使用不同的助焊剂。

其中的一个问题就是许多原来主要用于波峰焊的助焊剂现在用在选择焊上。对于整个电子行业,无论是产品还是应用,波峰焊工艺更适合这些不同类型的助焊剂。直到最近,才有一些助焊剂制造商真正认识到选择焊工艺和波峰焊工艺间的差别,开始生产专门用于选择焊的助焊剂。

但是,在各种可选的助焊剂中,含松香 / 树脂、酒精基、低固含量免清洗助焊剂通常是选择焊工艺的最佳选择。它们在各种不同表面上的表现很好,工艺窗口相对比较宽,在高温下的处理时间更长,可以用于含铅焊锡和无铅焊锡,能够完全烧掉,留下的残留物通常都比较安全。


了解助焊剂的分类

助焊剂的三个关键属性决定了助焊剂的类型。这些属性还决定了在焊接后是否需要清洗电路板。不过,助焊剂的可接受程度不一定是通用的,这取决于产品的要求。这三个关键属性是 :

  • 活性
  • 固体含量
  • 材料类型

根据这三个关键属性,可以用这种方法简单地把助焊剂分成三种基本类型 :

助焊剂类型
低固含量免清洗助焊剂(固体含量 2%-8%)
  • 溶剂基,含或不含松香 / 树脂
  • 水基(无挥发性化学物质),无松香 / 树脂(例外的情况很少)
  • 活性低到中等
  •  “寿命短”(在处理过程中)
  • 可能需要也可能不需要清洗
松香助焊剂
  • 全固态或高固态松香,含 15%-45% 松香
  • 溶剂基
  • 可能是低活性,但一般都是中等到高活性
  • “寿命长”(在工艺期间)
  • 一般都必须清洗
水溶性助焊剂
  • 通常都是高固体含量(11%-35%)
  • 溶剂基(个别情况下是水基的)
  • 通常都是高活性
  • “寿命很长”(在工艺期间)
  •  都必须清洗

活性和固体含量通常是助焊剂的两个关键属性,决定了产品在焊接后是否需要清洗助焊剂的残留物。根据材料的类型和固体含量,助焊剂的分类还可以进一步细分,如图 1 的树形图所示。

表 1 把助焊剂细分为固体含量高或固体含量低,是否含有松香,是水基还是酒精基(溶剂基)。你还会注意到四个特性指示器是从 RO(含松香)、RE(含树脂)、OR(含有机化合物)等开始。IPC 实行这个指示器系统的目的是根据 IPC-JSTD-004 中描述的各种测试,更清楚地对助焊剂进行分类,或者确定助焊剂的活性的低、中、高。所有的助焊剂制造商都执行这些测试,用适当的指示器确定每一种助焊剂的属性。如何应用指示器详见表 1。

表1. 助焊剂分类
助焊剂化学成分 局部指示器 助焊剂、残留物活性 局部指示器 全局指示器
含有卤素 不含卤素
松香 RO ROL ROL1 ROL0
ROM ROM1 ROM0
ROH ROH1 ROH0
树脂 RE REL REL1 REL0
REM REM1 REM0
REH REH1 REH0
有机化合物 OR ORL ORL1 ORL0
ORM ORM1 ORM0
ORH ORH1 ORH0
无机物 IN INL INL1 INL0
INM INM1 INM0
INH INH1 INH0

助焊剂制造商在每一种(最新的)助焊剂的技术数据表中都会包含这个指示器。但是,只参照这些指示器来确定各种助焊剂的类型的情况很少。大部分助焊剂仍然被称为低固含量免清洗助焊剂、松香助焊剂和水溶性助焊剂。只用指示器不能确切地告诉你正在使用的助焊剂是什么类型。例如,ROL1 可能是全松香助焊剂,也可能是含有一些松香的免清洗助焊剂。ORM0 可能是酒精基免清洗助焊剂、水基免清洗(无挥发性有机化学物质)助焊剂、标准的水溶性助焊剂或水基水溶性助焊剂。

但是,带指示器的数据表上的信息、助焊剂的固体含量和对助焊剂的描述应该能够让你知道你的助焊剂是哪一种助焊剂。不过,你也许还需要咨询制造商或者MSDS,确定是哪一种溶剂,通常是酒精或者水。如果一种助焊剂里含有松香,你就可以肯定它是酒精基的助焊剂,因为松香的特性使它不能溶于水。

由于低固含量免清洗助焊剂是选择焊中比较常用的助焊剂,我们在表 2 中已把它们和 IPC 的指示器相关联。

表2. 与IPC标准相关联的低固含量/免清洗助焊剂
助焊剂类型 助焊剂化学成分 局部指示器 溶剂 固体含量(最普通) 指示器 市场占有率
含卤化物
低固含量免清洗 松香 RO 酒精 2%-8% ROL1/0 最多
ROM1/0
ROH1/0</>

没有
树脂 RE 酒精 2%-8% REL1/0
REM1/0
最多
REH1/0</> 没有
无有机化合物低固含量免清洗 有机化合物 OR 酒精(非无有机化合物)水(无有机化合物) 1.5%-6% ORL1/0
ORM1/0
最多
非常少
ORH1/0</> 非常少

指示器系统的作用是使用者能够对他们的助焊剂的活性和适用性做出更明智的决定,了解在焊接后是否需要清洗,(或者至少要去考虑这个问题)。全松香助焊剂和水溶性助焊剂在焊接后都必须进行清洗,这是因为它们都有大量的固体和残渣,还因为它们的残渣都具有很高的活性。

需要注意的是,最好咨询助焊剂的制造商,讨论助焊剂的性能和表现。有些助焊剂可能会表现出更好的效果或更差的效果,即使它们在某些方面“在理论上”看起来几乎是完全一样的,但实际情况如何,只有制造商才最清楚。

警告 :不只是水溶性助焊剂,对所有 pH 值低的助焊剂都要保持谨慎。在许多情况下,数据表上的 pH 值可能会误导你,这是因为设计助焊剂就是要让所有的助焊剂在加热时活性变得更高。但是,pH 值低的助焊剂在室温下可能对设备是有害的,这一点已很清楚了。此外,由于有些助焊剂中含有一些微妙的化学成分,这些助焊剂的活性实际上比它们在 IPC 分类中标示的还要高,这种情况只有制造商才清楚。在使用一种不太熟悉的助焊剂之前,最好先咨询制造商,充分了解它的特性。


助焊剂的优缺点

助焊剂的一个最重要特性是它的活性和形成好焊点的能力 :快速、充分润湿引线、孔洞和焊盘,留下牢固结实的焊点。在通常情况下,助焊剂的活性越高,焊接的效果就越好,工艺窗口就越宽或越好。全固态松香助焊剂,尤其是水溶性助焊剂的焊接性能非常出色,这在很大程度上取决于它们的活性和丰富的化学成分,使助焊剂在整个焊接过程中始终很好地保持性能。

与水溶性助焊剂和全松香助焊剂一样,低固含量免清洗助焊剂没有去除或彻底去除氧化物。但是,它们中几乎没有能够在整个焊接工艺中始终保持化学性质的成分。因此,它们的工艺窗口通常都窄到令人难以置信。

水溶性助焊剂

水溶性助焊剂是非常棒的焊接材料,可以得到最理想的焊接结果。水溶性助焊剂中含有大量活性化学成分,它们可以很容易地清洗正在等待焊接的金属,并且在焊接过程中基本上不会被烧掉。不过,这些化学成分通常都有很强的侵蚀性、腐蚀性和持久性,它们的化学反应在焊接后会持续很长时间。他们基本上都被列入 ORH 类或 INH 类,必须通过受到严密监控的机器清洗工艺把残留物从焊接的电路板上彻底清洗掉。任何残留的离子污染都很可能会造成灾难性的现场故障,所以清洗工艺必须非常彻底地清洗电路板。在通常情况下,经过清洗的电路板要定期进行离子污染测试,通常使用的是某种类型的离子谱法或离子污染测试仪。

如果没有及时把电路板上的助焊剂残留物清洗掉,腐蚀的有害影响甚至在电路板还未出厂就可能发生。下面是在电路板离开生产线两小时后拍到的水溶性助焊剂腐蚀的照片。水溶性助焊剂残留物污染引起的另一种潜在的故障模式是生长树突,树突是呈毛发状生长的金属须,可能会在相邻的导体间形成并造成短路。

有一点必须清楚,几十年的实践证明清洗水溶性助焊剂的清洗系统是十分有效的,但运行这种清洗工艺非常昂贵,并且还要占用宝贵的车间空间。不过,水溶性助焊剂中的侵蚀性化学成分需要使用耐腐蚀的助焊剂涂敷器,它们还会腐蚀那些难以保持清洁的设备。

由于这些原因,很多制造商都不使用水溶性助焊剂,我们也建议要尽可能避免使用水溶性助焊剂。

表3. 水溶性助焊剂的优缺点
优点
  • 焊接性能极好-工艺窗口宽
  • 在高可靠性应用中的表现极好,这取决于工艺和产品要求
  • 在高温加热应用中表现良好
缺点
  • 需要比较长的预热时间
  • 残留物必须彻底清洗掉,工艺和车间空间昂贵
  • 清洗工艺必须通过离子测试严格控制
  • 清洗必须根据助焊剂mfr规定的时间内进行
  • 增加机器维护,化学物质侵蚀设备
  • 污染物的载体、搬运者、污染其他表面
  • 需要进行非强制性升级,和/或材料升级
  • 微量的残留物就有可能造成现场故障

松香助焊剂

全松香助焊剂也能提供极好的焊接效果,它清洗等待焊接的金属的能力和在焊接过程中自始至终保持性能的能力和水溶性助焊剂不相上下。不过,与水溶性助焊剂相比,不同的是它们不会腐蚀和损坏产品。事实上,如果用全松香助焊剂替代水溶性助焊剂的好处是,在焊接期间和焊接后,作为保护焊锡的屏障,松香能裹住离子残留物,使它们不能移动,而且不能进行有破坏性的反应。

但是,松香会在电路板上留下残渣,还可能污染制造设备,这也是需要把这类助焊剂从电路板上清洗掉的主要原因,这个问题要比水溶性助焊剂的可靠性问题重要得多。尽管如此,鉴于对现在的电子产品的要求很高,在严酷的环境下,松香残渣也有导致故障的可能。

运行松香清洗工艺可能会非常昂贵,不仅如此,松香清洗工艺通常还需要使用某种溶剂,这会使问题变得复杂。无论如何,松香的好处足以使它进入低固含量免清洗助焊剂的行列。

表4. 松香助焊剂
优点
  • 焊接性能从很好到极好——工艺窗口宽
  • 在高可靠性应用中表现从很好到极好
  • 在高温应用中表现从很好到极好
  • 工艺“寿命”长
缺点
  • 需要比较长的预热时间
  • 必须清洗残留物,清洗工艺和车间空间昂贵
  • 需要比较多的机器维修,可能会给下游工艺、ICT、AOI等造成困难
  • 需要经常进行非强制性升级助焊剂涂布器
  • 在某些情况/应用中残留物可能是安全性问题的关注对象

低固含量免清洗助焊剂

大多数制造商都知道,使用下面这些类型的助焊剂可以省掉清洗工艺。顾名思义,这些助焊剂的化学成分比较少,活性比较低,要使它们的焊接结果达到与前面所述的助焊剂类型的水平,将面临更多的挑战。

– 酒精基松香低固含量免清洗助焊剂

最初的低固含量免清洗助焊剂基本上都是含松香的助焊剂,只是其中的松香的含量比较少。现在的这些助焊剂要复杂得多。但是,助焊剂的基本原则是包含比较少的化学成分,在焊接完成后电路板上只会留下很少的非活性化学物质,这样就不需要清洗电路板。因此,除了全松香助焊剂中含有 35% 的固体之外,低固含量助焊剂的固体含量在 1.5% 到 8%。由于化学成分比较少,现在的问题变成助焊剂中要有足够的活性化学成分才能成为有效的助焊剂。

需要注意的是,低固含量助焊剂不是对每一个人或对每一种应用一定都是免清洗的。相同的助焊剂和残留物,在一种应用中可能非常安全,但它们在另一种应用中也许就是有害的。在客户、产品的设计者等与产品有关的人员中,只能由了解产品最终使用环境要求的人来确定哪一种低固含量助焊剂对他们的产品来说才是真正的免清洗助焊剂。

实际上,使用松香,哪怕是少量松香,都是避免通过简单地添加化学活性成分来提高助焊剂性能的一种办法。在众多低固含量助焊剂中,松香都是关键的化学成分,这是因为它能够在焊接过程中保护清洗过的金属和这些助焊剂中含量不多的化学物质。与不含松香的助焊剂相比,松香可以使助焊剂承受更高的温度、在高温下暴露更长的时间。助焊剂中含有松香,在焊接完成后你可能会看到比较多的残留物,并且你还会认为所有残留的化学物质都包裹在松香中。即便如此,有些客户还是能找到少许留在电路板上的残留物,这些的残留物正是他们不希望看到的,或者可能是比较不安全的。在这种情况下,要对电路板进行最后的多次清洗,或者按照客户的要求把这些低固含量助焊剂的残留物从电路板上清洗掉。

这些助焊剂不仅在长时间加热 / 预热暴露过程中或高温工艺中表现良好,它们在低温加热应用中或者短时间的工艺中的表现也很好,这是因为助焊剂的酒精迅速挥发,几乎可以立即开始焊接。

– 酒精基无松香低固含量免清洗助焊剂

为了部分解决这个问题,大多数助焊剂制造商提供完全没有松香的低固含量助焊剂,这种助焊剂能使它的活性在焊接时更加彻底地释放出来,只留下非常少的残渣。但是,由于它们中的化学物质没有松香包裹,这些助焊剂往往不能持续很长时间。对于选择焊,这可能是个问题,因为在某些情况下,选择焊的加热升温时间或保持在高温下的时间可能相对比较长。在选择焊工艺中,这些助焊剂可能在焊接过程中就消耗殆尽了。在这种助焊剂中保留少量松香不仅有助于解决助焊剂的耐热问题,还可以把留下来的离子残渣包裹起来。出于这个原因,大多数低固含量助焊剂中会含有一些数量不多的松香或等效合成物。

如果你的产品类型非常相似,运行程序的时间一般都很短,或者不需要大量的预热,并且要确保残留物尽可能少,那么,这些助焊剂的效果会非常好。你可以采用这种工艺得到很好的结果。

– 无挥发性有机化合物低固含量免清洗助焊剂

所有无挥发性有机化合物低固含量助焊剂的共同点是它们都不含松香,但是,由于它们都是水基的,是用来处理热暴露时间比较长的焊接的助焊剂,因此活性可能会高一些。但是,水基助焊剂的问题可能在于它们是水基的,需要更多的热量来把水蒸发掉,并且可能会迫使你的预热周期比其他非水基助焊剂的长,从而增加整个加热周期的时间。

如果你的主要组装业务是处理大量电路板和高温加热程序或工艺,无挥发性有机化合物助焊剂的效果也许是最好的,这是因为要花比较长的时间把水蒸发掉,它们的活性可能会更高一些。

表5. 低固含量免清洗助焊剂
优点
  • 焊接性能从良好到很好
  • 焊接后的残留物比较少,也许可以不清洗
  • 可以允许温度比较低的预热工艺,(和波峰焊与非水基工艺相比)
  • 可以改变助焊剂,能在不同的应用中很好工作
  • 易于在设备上处理
-无松香酒精基
  • 完全烧掉,非常干净
-无有机化合物
  • 无挥发性溶剂;活性可能比较高,工艺“寿命”比较长(与无松香酒精基助焊剂相比)
缺点
  • 活性比较低,工艺窗口比较窄(与松香助焊剂或水溶性助焊剂相比)
  • 可能会给高温应用造成困难,使工艺窗口变窄
  • 残留物也许必须根据指令(edict)清洗掉,焊接所需要的
  • 助焊剂数量留下的残留物数量可能会不受欢迎或者不安全
  • 水基(无VOC)可能需要比较长的预热
-无松香酒精基 工艺“寿命”短
-无有机化合物 需要比较长的预热,可能会增加不必要的加热周期时间可能不能像无松香酒精基助焊剂那样干净清洁

优点和缺点总结

由于上述这些原因,对于选择焊,选择一些含少量松香或等效合成物的低固含量免清洗助焊剂通常是比较理想的选择。当你有许多不同的产品和组装程序,而这些产品和组装程序需要不同的焊接温度或不同的升温时间时,它们的工艺窗口比较宽,能够提供更多的成功机会。

助焊剂残留物的安全性问题对所有的产品或应用不具有普遍性。电路板上是否允许有助焊剂残留物,这取决于产品的要求,产品最终的使用环境和根据设计要求的测试。

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