CN103341701B - 软焊用助焊剂 - Google Patents

Abstract

本发明一种软焊用助焊剂的配方，其中添加平均数量分子量介于700~3000的聚丁烯、松香及醇酯类界面活性剂；其中该聚丁烯在助焊剂中重量比小于7%，或相对于松香的重量比小于15%的焊接用助焊剂；其中该松香选自氢化松香、聚合松香、酸改质松香的一种或一种以上。目前无铅焊接尚有焊锡因高温氧化造成扩散性不足，助焊剂残渣过多、变硬，导致电路导通测试不良的问题。本发明提供一种新型助焊剂，在高温回焊的过程中具有热稳定性，并改善扩散性不足及电路导通测试不良的问题。

Description

软焊用助焊剂

技术领域

本发明是属于焊接材料上的助焊剂。

背景技术

助焊剂其成分一般含有：松香、抗垂流剂、活性剂、溶剂。助焊剂的功能为去除焊点的氧化物质，增加焊接时扩散性、焊接性及提升焊接后电路导通测试(In-circuit test)的良率等等。

扩散性是焊料在焊接时所沾覆面积，若沾覆面积越大，在焊接时不易发生虚焊的情形。电路导通测试为测量电路板焊点与电路是否导通，目的在于测试电路板质量。其乃利用探针与焊点接触，以探针量测其电阻值，若无连通电子零件与基板则称为假焊，在此情况下电路导通测试即失败，判定为不良品，另外，焊锡上的助焊剂残渣太多，使探针无法接触焊锡点，也会因测试失败误判成不良品。

助焊剂可依外观与应用分为固体助焊剂、膏状助焊剂与液体助焊剂。固体助焊剂一般包裹在锡丝中，当锡丝焊接时，被包裹的固体助焊剂可去除焊接点的氧化物质。膏状助焊剂用于助焊剂与焊料粉混合后制成的锡膏，以印刷方式在基板上成型，放置零组件后，再进行焊接，也用于基板涂布后放置锡球，除了可避免锡球位置偏移外，亦可直接加热焊接后成为产品。液体助焊剂通常用于波焊，将细致喷布或发泡均匀涂布在基板上，去除基板上的氧化物质后，基板与融熔金属接触进行焊接。

一般焊料的适用例子为电路基板与电子产品以回焊方式焊接。此回焊方式中使用的膏状锡膏是由焊粉与膏状助焊剂材料混合后所形成，于基板的预定位置上以锡膏印刷，并在其上搭载电子零件，预热后再以适当条件加热焊接。

另外，以前焊料合金主要为低熔点的锡铅焊料为主，最近开发低毒性的无铅焊料，如锡银、锡锑、锡铋等。这些无铅焊料的熔点大多比锡铅焊料高50度，故使用无铅焊料时，必须提高回焊温度及降低回焊时间，以配合合金的熔点与基板受热的不安定性质，通常会在摄氏165度至200度预热2分钟，使基板先均匀受热，再加热至合金融熔的温度。

而在预热过程中会使助焊剂中的溶剂挥发、部分组成裂解、松香特性变差及加速锡粉氧化等。如此助焊剂回焊后，易变硬且不易向外扩散，使得助焊剂残渣集中于焊点上且助焊剂硬化，且因助焊剂为绝缘，太多或太硬的助焊剂残渣会造成电路导通测试的探针无法与焊点接触，结果导致电路导通测试失败。另外，焊料也会因为高温预热使得锡粉氧化程度变高，在焊料与基板间表面张力变大，使得焊接时焊料不易扩张，焊接性不良的情况也会增加。

在波焊中，因为无铅焊料的表面张力较有铅焊料大得多，因此使用无铅焊料的时候，不但向外与向上扩张的附着力变小，形成介金属层接触时间也变长。

综观上述问题，故需要一种新型助焊剂能够加强焊接时助焊剂的扩散性，不易残留于测试点与电路导通测试的探针上，提高测试良率。且于焊接与波焊时，助焊剂也要保有相当的活性，以保护基板上焊点不被氧化。然而，在高温预热下要有良好的热稳定性、扩散性与提高电路导通测试良率，先前技术中亦有一些主张，中国台湾专利公开编号TW201143959所提到的助焊剂残渣减少方法，使助焊剂中溶剂挥发，但如此会使焊后的助焊剂硬化，电路导通测试不良率上升。日本特许出愿公开番号特开平-100690中，提出使助焊剂残渣脱落的方法，虽助焊剂无残渣，大幅提高电路导通测试良率，但因助焊剂残渣脱落，使焊点缺乏保护，易造成焊点的氧化或电子迁移现象。

发明内容

本发明为一种新型高温焊接用助焊剂，在高温预热时，有良好的热稳定性、扩散性，使回焊后的助焊剂残渣较软，同时在焊点上的助焊剂残渣变薄，提高电路导通测试良率。本发明主要在改善焊接时的扩散性与提升焊接后电路导通测试的良率。

针对目前回焊温度因使用无铅焊料而提高，焊接温度使助焊剂热裂解与高残渣，造成扩散性不佳及电路导通测试不良等问题，本发明者提出一种高温型助焊剂配方组成，包含聚丁烯、松香以及醇酯类界面活性剂；该助焊剂组成中的聚丁烯，平均数量分子量（average molecularweight）为700～3000，添加量为相对于松香的重量比为大于等于1%且小于等于15%，或在助焊剂中重量比为大于零且小于等于7%；该助焊剂组成中的松香选自一种或一种以上氢化松香、聚合松香及酸改质松香所组成的群组；醇酯类界面活性剂选自一种或一种以上癸基十四醇鲸蜡硬脂酸酯(2-decyltetradecyl esters)、己基癸醇苯甲酸酯(HexyldecylBenzoate)、己基癸醇乙基己酸酯(Hexyldecyl ethylhexanoate)、己基癸醇己基癸酸酯(Hexyldecyl hexyldecanoate)、己基癸醇异硬脂酸酯(Hexyldecylisostearate)、己基癸醇月桂酸酯(2-Hexyldecyl laurate)、己基癸醇油酸酯(2-Hexyldecyl oleate)、己基癸醇棕榈酸酯(2-Hexyldecyl palmitate)、己基癸醇硬脂酸酯(Hexyldecyl stearate)、己基癸醇肉荳蔻酰基甲氨基丙酸酯(Hexyldecyl myristoyl methylaminopropionate)、异鲸蜡醇山嵛酸酯(Isohexadecyl docosanoate)、己基癸醇水解胶原酯(2-hexyldecyl ester)、异鲸蜡醇乙基己酸酯(Isocetyl ethylhexanoate)、异鲸蜡醇异癸酸酯(Isocetylisodecanoate)、异鲸蜡醇异硬脂酸酯(Isohexadecyl isooctadecanoate)、异鲸蜡醇月桂酸酯(isohexadecyl ester)、异鲸蜡醇肉荳蔻酸酯(Isocetylmyristate)、异鲸蜡醇棕榈酸酯(isohexadecyl ester)、异鲸蜡醇硬脂酸酯(Isocetyl stearate)、异鲸蜡醇水杨酸酯(Isocetyl salicylate)及异鲸蜡醇(12-硬脂酰氧基硬脂酸)酯(Isohexadecyl12-((1-oxooctadecyl)oxy)octadecanoate)所组成的群组；上述助焊剂可使焊料扩张性良好，焊点上的助焊剂残渣变少，且残渣不易硬化。

本发明的焊接用助焊剂，在通常于摄氏165度至200度的回焊过程中，可抑制焊料氧化与助焊剂劣化。结果显示助焊剂劣化程度降低，回焊后残渣则不易变硬，可提高电路导通测试的良率。在锡丝用固体助焊剂，聚丁烯的添加可提高耐热性、扩散性及湿润性，具有良好的焊接性。在液体助焊剂中，添入聚丁烯能够改善波焊中扩散性不良的问题。

附图说明

图1为实施例1扩散实验照片。

图2为实施例2扩散实验照片。

图3为实施例3扩散实验照片。

图4为实施例4扩散实验照片。

图5为比较例1扩散实验照片。

图6为比较例2扩散实验照片。

图7为比较例3扩散实验照片。

图8为比较例4扩散实验照片。

图9为比较例5扩散实验照片。

图10为比较例6扩散实验照片。

图11为实施例1锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图12为实施例2锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图13为实施例3锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图14为实施例4锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图15为比较例1锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图16为比较例2锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图17为比较例3锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图18为比较例4锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图19为比较例5锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图20为比较例6锡膏回焊后以电子显微镜计算助焊剂残留照片。

图21为实施例1焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

图22为实施例2焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

图23为实施例3焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

图24为实施例4焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

图25为比较例1焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

图26为比较例2焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

图27为比较例3焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

图28为比较例4焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

图29为比较例5焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

图30为比较例6焊点电路导通测试探针残留助焊剂照片。

具体实施方式

1.助焊剂。

本发明的焊接用助焊剂为含有松香或其衍生物为主成分，加入相对于松香的重量比小于15%或在助焊剂中重量比小于7%且平均数量分子量700～3000的聚丁烯，其中松香或其衍生物选自一种或一种以上氢化松香、聚合松香及酸改质松香所组成的群组，及加入醇酯类的界面活性剂选自一种或一种以上癸基十四醇鲸蜡硬脂酸酯、己基癸醇苯甲酸酯、己基癸醇乙基己酸酯、己基癸醇己基癸酸酯、己基癸醇异硬脂酸酯、己基癸醇月桂酸酯、己基癸醇油酸酯、己基癸醇棕榈酸酯、己基癸醇硬脂酸酯、己基癸醇肉荳蔻酰基甲氨基丙酸酯、异鲸蜡醇山嵛酸酯、己基癸醇水解胶原酯、异鲸蜡醇乙基己酸酯、异鲸蜡醇异癸酸酯、异鲸蜡醇异硬脂酸酯、异鲸蜡醇月桂酸酯、异鲸蜡醇肉荳蔻酸酯、异鲸蜡醇棕榈酸酯、异鲸蜡醇硬脂酸酯、异鲸蜡醇水杨酸酯及异鲸蜡醇(12-硬脂酰氧基硬脂酸)酯所组成的群组。

依照上述所指的添加量及添加成分实施，可提升耐热性。若聚丁烯的平均数量分子量与添加量增加，助焊剂成分变得容易分离，故平均数量分子量控制在3000以下，且适量添加量为佳。

其它成分的组成，可选择性的包含：(1)活性剂，选自一种或一种以上丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十一碳二酸、十二碳二酸，有机酸的三乙醇胺类、咪唑类、三唑类及胺类所组成的群组；(2)抗垂流剂，选自一种或一种以上脂肪酸酰胺、蓖麻油及脂腊所组成的群组；(3)溶剂，选自二醇系（glycol），例如二甘醇单乙醚、二甘醇等，或水、异丙醇、乙醇、甲醇或其它低级醇类。除了这些成分外，还可添加一些保护表面的抗氧化剂。而松香成分，可进一步使用胶体松香、木松香等天然松香，或氢化松香、歧化松香、聚合松香、酸改质松香等松香脂。

2.锡膏。

本发明的助焊剂可与无铅锡粉混合成锡膏。而锡粉的合金主要是由锡与银所组成，另外还会加入少量的铋、铜、铟、锑等金属元素。锡粉和助焊剂的比例没有一定限制，通常是重量百分比80～97%的锡粉与重量百分比3～20%的助焊剂混合。

3.锡丝。

本发明的助焊剂可加入无铅锡丝。锡丝和助焊剂的比例没有一定限制，通常是重量百分比96～99%的锡合金中内含1～4%的助焊剂。

4.波焊用液体助焊剂。

本发明的助焊剂可用于无铅波焊。重量百分比2%～10%的膏状助焊剂均匀混和溶于溶剂中，配置成无铅波焊用液体助焊剂。溶剂组成可由水、异丙醇、乙醇、甲醇或其它低级醇类等中选择一种或是两种以上种类进行混合。

5.实施例。

助焊剂A制作，取计溶剂二乙二醇50克、己基癸醇肉荳蔻酰基甲氨基丙酸酯5克，活性剂己二酸5克，抗垂流剂蓖麻油5克，松香氢化松香35克至烧杯中，加热搅拌至澄清溶液，其组成分如表一。

表一

助焊剂B制作，取计溶剂二乙二醇50克、己基癸醇肉荳蔻酰基甲氨基丙酸酯5克，活性剂己二酸5克，抗垂流剂蓖麻油5克，松香木松香35克至烧杯中，加热搅拌至澄清溶液，其组成分如表二。

表二

助焊剂C制作，取计溶剂二乙二醇55克，活性剂己二酸5克，抗垂流剂蓖麻油5克，松香氢化松香35克至烧杯中，加热搅拌至澄清溶液，其组成分如表三。

表三

实施例1制备方法，取助焊剂A100克，加入平均数量分子量700的聚丁烯4克，加热搅拌至均匀混和，冷却后与无铅锡粉充分搅拌，制成锡膏。实施例2～4、比较例1～4如同实施例1的做法，加入不同的聚丁烯分子量与比例，其组成如表四。比较例5制备方法，取助焊剂B100克，加入平均数量分子量700的聚丁烯2克及平均数量分子量3000的聚丁烯2克，加热搅拌至均匀混合，冷却后与无铅锡粉充分搅拌，制成锡膏，其组成如表四。比较例6制备方法，取助焊剂C100克，加入平均数量分子量700的聚丁烯2克及平均数量分子量3000的聚丁烯2克，加热搅拌至均匀混合，冷却后与无铅锡粉充分搅拌，制成锡膏；各实施例、比较例组成如表四。

表四

扩散性测试方法为秤取约0.3克锡膏置于铜片上，精秤后纪录重量，将此试验板置于245℃的加热板上加热30秒钟，由焊锡的高度计算扩散率。扩散性结果依以下公式定义，数值越大扩散性越佳。

扩散性=100%*(D-H)/D

其中D为焊锡直径，H为焊锡高度(mm)

扩散性测试结果：实施例1、实施例2、实施例3，扩散面积大且扩散均匀，如图1、图2、图3；实施例4，扩散面积大、表面光亮及扩散均匀，如图4；比较例1，扩散面积小、锡珠产生及略有扩散不均的现象，如图5；比较例2，扩散面积小、表面光亮及表面有凹洞，如图6；比较例3，其扩散面积小及扩散极不均匀如图7；比较例4，扩散面积极小、扩散极不均匀及表面光亮，如图8；比较例5，扩散面积略小、扩散均匀及表面光亮，如图9。比较例6，扩散面积略小、扩散均匀及表面光亮，如图10。

助焊剂残留测试方法为将锡膏印于电路板基板上，进行回焊，温度条件如表五。

温度区间	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													温度(℃)	125.0	160.0	165.0	170.0	180.0	190.0	200.0	230.0	250.0	260.0	220.0	150.0
区间时间(秒)	40	20	20	20	20	20	20	20	20	20	20	20
													累计时间(秒)	40	60	80	100	120	140	160	180	200	220	240	260

表五

回焊后，以显微镜观测并测量焊点面积及助焊剂面积。

助焊剂残留结果依以下公式定义，数值越大，助焊剂残留越少。

助焊剂无残留面积%=(焊点上无助焊剂面积/焊点面积)*100%

助焊剂残留测试结果：实施例1，无助焊剂面积295410μm²、焊点面积38443μm²，如图10；实施例2，无助焊剂面积275909μm²、焊点面积362521μm²，如图11；实施例3，无助焊剂面积325332μm²、焊点面积405147μm²，如图12；实施例4，无助焊剂面积304913μm²、焊点面积416131μm²，如图13；比较例1，无助焊剂面积233699μm²、焊点面积395133μm²，如图17；比较例2，无助焊剂面积234723μm²、焊点面积388702μm²，如图18；比较例3，无助焊剂面积150827μm²、焊点面积415410μm²，如图19；比较例4，无助焊剂面积22479μm²、焊点面积381021μm²，如图17；比较例5，无助焊剂面积241060μm²、焊点面积363740μm²，如图18。比较例6，无助焊剂面积262265μm²、焊点面积403286μm²，如图20。

电路导通测试方法为将锡膏印于电路板基版上，回焊后，进行1000次电路导通测试纪录通过次数，并观察电路导通测试探针上助焊剂残留情况。

电路导通测试结果：实施例1，进行1000次电路导通测试，通过数1000，测试完的探针助焊剂残渣极少，如图21；实施例2，进行1000次电路导通测试，通过数1000，测试完的探针助焊剂残渣极少，如图22；实施例3，进行1000次电路导通测试，通过数1000，测试完的探针助焊剂残渣极少，如图23；实施例4，进行1000次电路导通测试，通过数1000，测试完的探针助焊剂残渣极少，如图24；比较例1，进行1000次电路导通测试，通过数669，测试完的探针助焊剂残渣多，如图25；比较例2，进行1000次电路导通测试，通过数735，测试完的探针助焊剂残渣多，如图26；比较例3，进行1000次电路导通测试，通过数672，测试完的探针助焊剂残渣多，如图27；比较例4，进行1000次电路导通测试，通过数53，测试完的探针助焊剂残渣极多，如图28；比较例5，进行1000次电路导通测试，通过数893，测试完的探针助焊剂残渣略多，如图29；比较例6，进行1000次电路导通测试，通过数843试完的探针助焊剂残渣略多，如图30。

实验结果整理如表六，显示加入平均数量分子量700～3000，且重量百分比为7%以下的聚丁烯，扩散性佳且助焊剂残留少，可通过1000次电路导通测试。而比较例1,2中添加平均数量分子量过小及过大的聚丁烯，则无法有效改善其问题，可知聚丁烯分子量会影响扩散性。比较例3,4中加入过量的聚丁烯，扩散性变差，使助焊剂残留变多，电路导通测试表现亦不佳。而比较例5中使用木松香，相较于实施例3使用的氢化松香，其比较例5的实验测试结果，扩散性下降了4.12%；助焊剂残留量多了13.97%；电路导通测试1000次中只通过了893次，故松香种类影响扩散性及助焊剂残渣残留量，使用氢化松香、聚合松香或酸改质松香为佳。比较例6中无添加醇酯类的界面活性剂的己基癸醇肉荳蔻酰基甲氨基丙酸酯为例，相较于实施例3，其比较例6的实验测试结果，扩散性下降了5.39%；助焊剂残留量多了15.27%；电路导通测试1000次中只通过了843次，其测试结果皆较差。总体来说聚丁烯的数量分子量越集中在700～3000且添加量在相对于松香的重量比小于15%或在助焊剂中重量比小于7%，使用氢化松香及己基癸醇肉荳蔻酰基甲氨基丙酸酯时，其测试结果相当好。

表六

Claims (10)

1.一种助焊剂，其特征在于，至少包含聚丁烯、松香及醇酯类界面活性剂，该醇酯类界面活性剂选自癸基十四醇鲸蜡硬脂酸酯、己基癸醇苯甲酸酯、己基癸醇乙基己酸酯、己基癸醇己基癸酸酯、己基癸醇异硬脂酸酯、己基癸醇月桂酸酯、己基癸醇油酸酯、己基癸醇棕榈酸酯、己基癸醇硬脂酸酯、己基癸醇肉豆蔻酰基甲氨基丙酸酯、异鲸蜡醇山嵛酸酯、己基癸醇水解胶原酯、异鲸蜡醇乙基己酸酯、异鲸蜡醇异癸酸酯、异鲸蜡醇异硬脂酸酯、异鲸蜡醇月桂酸酯、异鲸蜡醇肉豆蔻酸酯、异鲸蜡醇棕榈酸酯、异鲸蜡醇硬脂酸酯、异鲸蜡醇水杨酸酯及异鲸蜡醇硬脂酰氧基硬脂酸酯中的一种或一种以上所组成的群组。

2.如权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，该聚丁烯数均分子量介于700至3000之间。

3.如权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，该聚丁烯含量为该松香的重量1~15%。

4.如权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，该松香为氢化松香、聚合松香或酸改质松香。

5.如权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，该聚丁烯相对于该助焊剂为大于零且不超过7重量%。

6.如权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，该助焊剂更包含一活性剂，该活性剂选自丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十一碳二酸、十二碳二酸、咪唑类、三唑类及胺类中的一种或一种以上所组成的群组。

7.如权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，该助焊剂包含一抗垂流剂，该抗垂流剂选自脂肪酸酰胺、蓖麻油及脂腊中的一种或一种以上所组成的群组。

8.如权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，该助焊剂包含一溶剂，该溶剂选自二甘醇单乙醚、二甘醇，或该溶剂选自水、异丙醇、乙醇及甲醇中的一种或一种以上所组成的群组。

9.一种锡膏，其特征在于，其添加包含如权利要求1至8中任一所述的助焊剂及锡粉。

10.一种焊料，其特征在于，其添加包含如权利要求1至8中任一所述的助焊剂及锡丝。