免清洗型环保无铅焊锡膏的开发

无铅焊锡膏的开发过程中，通过合理选择溶剂与松香，无铅焊锡膏助焊剂残渣的洗净性得到大幅提高。最终，无铅焊锡膏的综合性能得以确认。

以混合动力汽车、电动汽车以及自动刹车控制为代表的汽车，其动作和运行环境的机能化程度越来越高。汽车上安装了近100个ECU（电子控制单元），这就要求相关电子基板具备很高的可靠性，从而实现对汽车的有效控制。

在ECU机能化程度提高的过程中，为了提高电子零件的控制应答速度，增加了功率器件（电力半导体器件）的使用。这种功率器件的构造与其他电子安装基板的制造一样，通常采用在印刷基板上安装电子器件的表面安装技术。该项技术融合了焊锡材料、功能性电子零件、基板开发、印刷技术与回流加热（回流焊）方法等技术。本文将对功率器件安装所要求的焊锡膏性能及其开发过程进行论述。

<!--[if !supportLists]-->1.<!--[endif]-->焊锡材料 表面安装工艺中使用的焊锡材料正在被无铅焊锡合金所取代。在日本，已经基本实现无铅化，其中包括车载专用的耐久性优异的无铅合金、低熔点合金、低成本合金以及用于特定用途的焊锡合金，焊锡合金呈现出多样化的趋势。

根据用途的不同，焊锡材料的形态可分为棒状焊锡、流态焊锡、膏状焊锡（焊锡膏）等，在表面安装中通常使用的是焊锡膏。焊锡膏由铅合金的金属粉末和具有活性作用的助焊剂构成，是一种膏状焊锡。助焊剂由松香等基础树脂、有机酸等活性剂、蜡和溶剂等物质组成。

<!--[if !supportLists]-->1.<!--[endif]-->焊锡膏使用工程要求的性能 一般而言，焊锡膏的使用工程如图1所示。在表面安装过程中，焊锡膏的使用大致可分为：

①印刷工程；

②零部件固定工程；

③焊接工程三个部分。

在最初的丝网印刷工程中，在网板开口处通过左右摇晃焊锡膏，在基板上涂抹必要量的焊锡膏。然后，经过零部件固定工程，将电子零件安装在需要印刷的位置，再在回流焊工程中加热至金属熔点以上，将基板与电子零件焊接在一起。

像这样，使用焊锡膏的表面安装需要经过多个阶段的工程，焊锡膏应满足每个工程的要求。其中，较为重要的性能包括：丝网印刷工程中的印刷性能、零部件固定工程中的零件保持能力、回流焊工程中的焊锡膏塌落控制。

<!--[if !supportLists]-->1.<!--[endif]-->功率器件安装要求的性能 在ECU（行车电脑）的制造过程中，会大量使用功率器件的安装，焊锡膏的以下三点性能尤为重要。

3.1 确保助焊剂残渣的洗净性 在要求高可靠性功率器件的安装过程中，安装后残留的助焊剂残渣应具备必要的溶剂洗净性。这是为了防止安装后助焊剂残渣上附着的污垢导致功率器件误动作，以及防止附着的水引起的腐蚀劣化。

无论电极材质如何，都应尽量确保小的间隙量。在功率器件的安装过程中，通常多使用焊接附着面积大的零件，这是为了使功率器件动作产生的热能够通过设置的基板有效传导散热，防止由于功率器件发热而引起误动作。为了确保功率器件动作产生的热量能够被基板吸收而放热，焊接部分的间隙必须很小。这是因为如果在焊接结合部位存在间隙，就会降低热传导率，削弱基板的放热特性。电子基板上的电极材料不同，间隙的发生状态也不同。为了提高功率器件结合的可靠性而使用的银电极，与原来的铜电极相比，功率器件的结合性大大提高。但是，使用银电极容易产生间隙，存在放热特性不充分的问题。

同时，随着环保要求的日益严格，无铅焊锡膏的研发也需要朝着更加绿色环保的方向发展。除了目前关注的洗净性、飞溅性等性能外，还需要考虑材料的可回收性、对环境的长期影响等因素。这就要求在选择焊锡膏的组成成分时，不仅要满足技术性能要求，还要符合环保法规和可持续发展的理念。例如，可以探索使用生物基材料或可降解材料来替代部分传统的焊锡膏成分，以降低对环境的压力。

综上所述，虽然目前在功率器件用焊锡膏的性能研究方面已经取得了一定的成果，但仍有许多方面需要进一步深入研究和探索，以满足汽车电子技术不断发展的需求。

3.2 能降低焊接中SnPb的飞溅发生量 在实施回流焊时，要求能够控制助焊剂组成中的溶剂挥发，以及与金属反应生成的水因突然沸腾导致的助焊剂（焊接粒子）飞溅。要防止飞溅的助焊剂与其他零件结合部位及连接器部分粘结在一起，引发误动作。一般来说，无铅焊接产生的飞溅发生量较多。这是因为从以前的含铅焊接转变为润湿性差的无铅焊接后，为了确保足够的防潮性，必须大量添加活性剂，结果导致助焊剂飞溅的发生量增加。

<!--[if !supportLists]-->1.<!--[endif]-->确保洗净性 开发功率器件用焊锡膏的首要前提是焊锡膏应具备助焊剂残渣洗净性。为此，开发时首先要选定洗净性优异的材料。

助焊剂残渣的洗净大致分为洗净工程、冲洗工程和干燥工程三个阶段。用洗净溶剂洗净、冲洗、干燥的方式最为常用。

洗净工程中使用的洗净溶剂一般为氢氟醚系溶剂和乙二醇醚系溶剂等。

为确保洗净溶剂的充分洗净性，本研究从车载关联制造商使用的数种洗净溶剂入手，对在这些溶剂中溶解性良好的材料进行了调查。在讨论中发现，约占助焊剂基本成分一半的松香，其添加量的多少可能会对洗净性产生较大影响。因此，本研究进行了包括因热产生的氧化老化等因素在内的洗净性确认试验，并对洗净条件进行了精确调查。结果确认：不匀称松香（歧化松香）和加氢松香等品种在加热时不会发生氧化老化，且性能稳定，具有优异的洗净性。

本研究采用选定洗净性优异的材料的方法，对焊接时的间隙改善和助焊剂飞溅的改善进行了讨论。

<!--[if !supportLists]-->1.<!--[endif]-->间隙的改善 焊锡中产生的气泡在加热过程中会缓慢变大。例如，在易产生间隙的银电极焊接中，会出现占银电极一半以上面积的气泡类似物。在功率器件的安装中，为了缓解动作时的发热、减小间隙，确保电极基板的放热特性非常重要。

间隙产生的主要原因包括几个复合因素，特别是溶剂的挥发、与金属反应生成的水以及在焊锡结合部位残存的气泡，都是间隙产生的主要原因。

因此，减少气泡产生量和抑制（分散）气泡成长是改善气泡发生的两种有效手段，下面将分别进行讨论。

第一个目的是减少气泡的产生。本文从抑制溶剂的挥发和减少与金属反应生成的水两方面进行了讨论。

首先，讨论对溶剂挥发的抑制。当使用低于焊锡熔点（220℃）的挥发性溶剂时，很容易想象得到，在焊锡熔融时，焊锡中会产生很多气泡。

第三是减少活性剂的方法。本研究调查结果显示：不同的电极材质，其有效活性温度也各不相同，因此，通过有效组合活性剂，可能会降低活性剂必要的最低限量。

第四是抑制金属氧化的方法。最重要的是防止回流焊工程中的金属氧化，以及防止被还原金属后的干净金属被活性剂再次氧化。在精心调查各种氧化防止剂后，本研究确认：二唑系的氧化防止剂最为有效。

在未来的研究中，可以进一步探索不同材料组合对焊锡膏性能的影响。例如，是否存在新的溶剂或松香种类，能够在不影响其他性能的前提下，进一步提高助焊剂残渣的洗净性。根据本文的研究结果，洗净性不仅与材料本身有关，还与洗净条件密切相关。因此，对洗净条件进行更深入的研究，如温度、压力、洗净时间等因素的精确控制，可能会带来新的突破。

从以上讨论来看，将高沸点溶剂与抑制水生成两种方法相结合，有可能大幅减少焊锡中气泡的产生。

调查结果表明：在抑制(分散)气泡成长的两种方法中，最有效的方法是在气泡成长前就使其分散开，并在助焊剂内并用具有表面活性的最佳溶剂。利用这种方法，使气泡无法成长，与助焊剂一起被排出到焊锡外。

<!--[if !supportLists]-->①    <!--[endif]-->焊锡膏飞溅的改善 焊锡膏飞溅的发生与间隙一样，气泡的生成和成长对飞溅的影响很大。当气泡被排出到焊锡外部时，助焊剂和焊锡粒子被吹飞，从而导致飞溅现象的发生。

为此，用于改善间隙的方法可能同样适用于解决飞溅问题。即便如此，在使用环境和回流焊过程中的温度条件下，仍然会存在一定程度的气泡产生、放出，完全抑制飞溅现象是不可能的。

为改善飞溅现象的发生，本研究重点研究了助焊剂比例最高的基本成分——松香。

<!--[if !supportLists]-->②    <!--[endif]-->原来的焊锡膏配方中的松香是不均化精制的松香。调查结果表明：在焊锡熔融温度附近的高温下，松香是无黏度的液体，焊锡金属与助焊剂处于容易分离的状态。

③.为解决该问题，本研究并用了粘性易变的松香，赋予助焊剂合适的黏度，从而提高焊锡膏的凝集力，使助焊剂和焊锡粉变得不易飞溅。另外，由于助焊剂残渣自身具有抑制飞溅的抵抗力，在助焊剂残渣内部，飞溅逐渐降低。

从以上讨论来看，通过选定最佳松香的合理组合，可以使原来的助焊剂残渣变得比以前更难飞溅，即：即使有飞溅也会停留在助焊剂残渣内部，不会对周围的零件产生不良影响。

④印刷性确认 本研究对焊锡膏要求的重要性能——印刷性进行了确认。对连续印刷12h的印刷体积确认结果。发现12h后与初期相比没有大的变化，确认不存在印刷问题。

⑤黏附力的确认 本研究对焊锡膏性能的零件保持力进行了确认。与印刷性一样，连续12h的黏着性虽有变化，但12h后仍然超过最低限度的必要黏着力1N，确认没有问题。

⑥焊锡附着性的确认 本研究对焊锡膏性能的焊锡附着性进行了确认。铜电极、银电极均具有良好的润湿性。

⑦电气可靠性 由于焊锡膏安装过程中会施加高电压，因此特别要求具有高电压可靠性。即使对助焊剂残渣的洗净不足，也不会漏电。

随着汽车电子技术的不断发展，功率器件在ECU中的应用将更加广泛。如前文所述，功率器件的性能对于汽车的正常运行至关重要，而焊锡膏作为功率器件安装中的关键材料，其性能的优化也显得越发关键。

此外，对于焊锡膏在不同工作环境下的性能稳定性也需要进一步考察。汽车的运行环境复杂多变，温度、湿度、震动等因素都会对电子元件产生影响。本文虽然对焊锡膏在常规环境下的性能进行了确认，但对于极端环境下的性能表现还需要更多的研究。例如，在高温高湿环境下，焊锡膏是否能够保持其良好的印刷性、黏附力和焊锡附着性等性能，以及如何确保助焊剂残渣在这种环境下不会引发功率器件的误动作或腐蚀劣化。