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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流表面活性剂在助焊剂中的应用及展望.精品文档.研究与试制收稿日期：20xx-xx-xx 通讯作者：杨晓军基金项目：“十一五”国家科技支撑重点项目“含有毒有害材料元素材料替代技术”资助；作者简介：杨晓军 ，副教授，当前研究方向为先进电子连接材料及聚合物基复合材料，Tel: 010-67392523，E-mail: yangxj；郑家春（1985），男，山东临沂人，研究生，当前研究方向为先进电子连接材料，Tel: 15210945971，E-mail:zhengjiachun2008。表面活性剂在助焊剂中的应用及展望郑家春，杨晓军，雷永平（北京工业
2、大学 材料科学与工程学院，北京 100124）摘要:表面活性剂作为助焊剂的主要成分之一，对提降低助焊剂的表面张力，增加助焊剂对钎料料和母材的亲润性具有重要作用，在提高无铅钎料焊接互连可靠性方面的作用更为突出，以非离子型表面活性剂为主。主要从表面活性剂的作用、助焊剂对表面活性剂的要求、常用表面活性剂三方面祥述了表面活性剂在助焊剂中的应用情况及其发展趋势。关键词: 表面活性剂；助焊剂；选择；作用；分类中图分类号: TM文献标识码:A文章编号:The application and prospect of surfactant in soldering fluxZHENG Jiachun, YANG
3、 Xiaojun，LEI Yongping (Laboratory of Advanced Electronic Joining Materials, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)Abstract: Surfactant is important product in industry of fine chemicals, which can be ranked as industrial monosodium glutamate. It plays a significant part in improvin
4、g production processes, raising the quality of products, saving energy, cutting down the cost of production，boosting productivity and energy conservation. Recently, it is also used widely in the electronics field. This article mainly describes the selection, effect, categorization and prospect of th
5、e surfactant in soldering flux.Key words: surfactant; flux ; effect ; selection；categorization电子工业用SnPb焊料已有50多年的使用历史，且已经形成了非常成熟的焊接工艺。它的熔点在183左右,具有良好的电导率、优良的可焊性和力学性能、成本低等优点。然而，人类社会在对铅的长期使用中发现，铅会对人类的健康造成严重的威胁。铅对人体的危害主要是金属铅收酸性物质的影响转化成离子铅，并渗入到地下水，进入人体后逐渐沉积到骨骼和内脏所致。即使是在排泄之后，仍会在骨骼中残留35年1。进入20世纪后期，随着人类环保意识
6、的不断提高、SnPn合金带来的负面影响日渐突出，全国电子工业掀起了研究和开发新型无铅钎料、无铅钎料用助焊剂的热潮2。进年来，材料工作者为了寻找可以代替锡铅钎料的无铅钎料进行了深入广泛的研究，采用的方法都是用另一种组元取代SnPn共晶合金中的Pb，大量的研究表明，共晶SnAg、SnCu、SnAgCu焊料等对电子工业有很大吸引力，其中SnAgCu钎料具有相当好的物理和机械性能,可焊性也较好,被公认为是最有可能替代SnPb合金的无铅钎料3，但与传统的SnPb钎料相比,SnAgCu系无铅钎料具有润湿性差,易氧化，熔点高等缺点。于是针对有铅钎料而研制的助焊剂已经无法满足无铅钎料钎焊的要求,主要问题在于:
7、一是这些助焊剂对无铅钎料的润湿能力不够,二是不适合无铅钎料的较高的焊接温度,再者有些含铅钎料的助焊剂对无铅钎料有腐蚀作用。另外有些助焊剂溶剂中含有大量挥发性有机物VOC ,是环保要求所禁用的4-6。传统的助焊剂用于无铅钎料的焊接时,耐高温性能较差,很多助焊剂在经过较高的预热温度及较高的炉温时会失去部分活性,而产生上锡不好的状况;另外,传统的助焊剂在无铅焊接中润湿性能也不够,易造成焊接不良等缺陷。这将带来焊后板面残留物增加、腐蚀严重、可靠性降低等诸多问题7,于是无铅钎料用助焊剂的研究也是无铅化热点之一。助焊剂是指在焊接工艺中能帮助和促进焊接过程，同时具有保护作用、阻止氧化反应的化学物质。它具有去
8、除母材和液态钎料表面上的氧化物，保护母材和钎料在钎焊过程中不致进一步氧化以及改善钎料对母材表面的润湿能力，其主要由活化剂、表面活性剂、成膜剂、添加剂（稳定剂、缓蚀剂、阻燃剂、消光剂等）、溶剂等组成。目前人们对助焊剂中活化成分在钎焊过程中的作用及工作原理已经进行了大量的研究并已经相当成熟，然而关于助焊剂中表面活性剂应用和作用原理的研究还甚少，作为助焊剂重要组成部分的表面活性剂在钎焊过程中也起着举足轻重的作用。本论文针对助焊剂中的表面活性剂的选取、作用、分类等方面进行了论述。1助焊剂用表明活性剂的选取及要求1.1助焊剂用表面活性剂的选表面活性剂(surfactant)是指具有固定的亲水亲油基团，在
9、溶液的表面能定向排列，并具有极高地降低表（界）面张力的能力和效率的物质8。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为憎水基团；由于表面活性剂具有这种特殊的双亲结构，使得其具有洗涤、润湿、渗透、分散、乳化、增容、气泡、稳泡、柔软、抗静电、抗腐蚀、杀菌等功能特性。助焊剂中添加表面活性剂主要是运用了表面活性剂的润湿性能，使得助焊剂能够完全的覆盖钎料表面，降低焊料表面张力，提高焊料的润湿能力。于是我们在配制助焊剂时应选择润湿性能强的表面活性剂，然而由于表面活性剂种类繁多且数量大，要选取合适的助焊剂用表面活性剂是相当困难的事情，下面简单介绍下助焊剂用表面活性剂的选取。1.1.1根据HLB值
10、选择表面活性剂HLB值代表表面活性剂亲水基和亲油的平衡值，用来衡量亲水与亲油能力的强弱，实际上主要表征了表面活性剂的亲水性;HLB值越高，亲水性越强；HLB值越低，亲水性越弱9。HLB值可由下公式计算：HLB=亲水基团/表面活性剂的质量100/5经过大量的研究和实验表明，发现HLB值与表面活性剂的用途有表1所示的对应关系。表1表面活性剂与用途的关系Tab.1 The relationship between surfactant and useHLB值范围表面活性剂的用途HLB的范围表面活性剂的用途1336715818消泡作用乳化作用渗透作用乳化作用121513151518润湿作用去污作用增容
11、作用根据上述的对应关系，可以得出要配制助焊剂时应选择HLB值在1215的表面活性剂。HLB值是确定表面活性剂的应用的重要依据，但仅靠这一方法来表征表面活性剂的性质是不够的，它不是衡量表面活性剂的唯一标准。因为HLB值相同的表面活性剂可以是不同类型、不同分子量的品种，甚至同一分子式的表面活性剂还会因是否带有支链、亲水基的位置等分子形态不同，而使其性质有所差异，因此单独考虑HLB值，对于有效的选用表面活性剂是不充分的10。1.1.2根据亲油基团选择表面活性剂表面活性剂的两个重要性质降低表面张力和胶束的生成均是于亲油基的疏水作用产生的，因此亲油基团对表面活性剂的性质有着重要的影响作用，是在表面活性剂
12、应用时需要考虑的仅此于HLB值的重要因素11。根据实际应用情况，可以把亲油基分为以下几种类型：1）氟代烃基含氟表面活性剂的亲油基为氟代烷基，其中全氟烷基疏水性最好，表面活性剂也最高。2）硅氧烃基 是有机硅表面活性剂的亲油基。3）脂肪族烃基 包括脂肪族烷基和脂肪烯基，如十二烷基、十六烷基等。 4）芳香族烃基 如苯基、苯酚基等。5）脂肪基芳香烃基 如十二烷基苯基、辛基苯酚基等。6）环烷烃 主要指环烷酸皂类中的环烷烃基。7）含弱亲水基的亲油基 如聚氧丙烯基团中带有一个醚键。他们亲油基的疏水性大小的顺序为：氟代烃基硅氧烃基脂肪族烃基芳香族烃基脂肪基芳香烃基环烷烃含弱亲水基的亲油基满1.1.3根据分子量
13、选择表面活性剂表面活性剂分子的大小对其性质的影响比较显著，一般分子量较大的表面活性剂的洗涤、分散、乳化性能较好，而分子量较小的表面活性剂润湿、渗透作用比较好12。例如在烷基硫酸钠阴离子表面活性剂中，洗涤性能有如下规律：C16H33SO4NaC14H29SO4NaC12H25SO4Na而在润湿性能方面，则是C12H25SO4Na最好。在选择助焊剂用表面活性剂时，以上三点只是重要的指标，除此之外还应该考虑亲水基团、分子形态、溶解度、安全性等其他因素。1.2 助焊剂用表面活性剂的要求考虑到波峰焊焊接工艺，为使助焊剂中的溶剂充分发挥，以免印制板通过焊锡时，影响印制板的润湿和焊点的形成，产生拉尖、桥接、
14、未焊透、未熔合等缺陷，钎焊时应在180210预热13分钟，焊接温度应控制在2505。为此助焊剂应具有较强的持续性而在不同温度范围内均能发挥去除氧化膜和增强润湿性的作用，助焊剂用表面活性剂还应满足以下几点要求：1、具有较强的表面活性效果，能够在极小的添加量时，表现出较高的浸润效果。2、焊后无残留，或残留物不能分解成导电离子状态。3、具有较好的热稳定性。这是因为助焊剂开始对焊料起浸润作用，一般从焊料熔融时开始，而焊料熔融必须达到焊料的固相线以上温度，锡铅焊料在183左右，而无铅焊料更是达到212左右。4、具有较好的化学稳定性。较好的化学稳定性，决定了表面活性剂在整个配方体系中的稳定性。5、表面活性
15、剂不能或只能具有较弱的活化性能。表面活性剂的重要作用是对熔融态焊料起到浸润作用，而不是去除被焊基材表面的氧化层，所以表面活性剂可以不具备较强的活化性能。6、具有较合理的使用成本。2 表面活性剂在钎焊中的作用在焊接过程中，焊料基本处于液体状态，而元件管脚或焊盘则为固体状态，当两种物质接触时，因液态物质表面张力的作用，会直接造成两种物质接触界面的减小，我们对这种现象的表面概括是“锡液流动性差”或“扩展率小”，这种现象的存在影响焊点形成的面积、体积或形状13。因为表面张力是一种物理特性，所以在实际操作中，我们只能改变它而不能完全消除它。在钎焊过程中，降低焊料表面张力的同时，就可以提高焊料的润湿能力，
16、从而达到良好的焊接效果。降低焊料表面张力并不是只有依靠表面活性剂的作用这一种方法，但表面活性剂的使用是比较常见且比较有效的一种方法。表面活性剂的主要作用是降低焊剂的表面张力增加焊剂对焊粉和焊盘的亲润性。因为焊剂在加热过程中呈液态，任何液体又存在表面张力，使液体达到最小表面积而呈球状，从而不润湿钎料和钎焊表面因此通过添加极性比较大的表面活性物质，使焊剂分子内部具有较大的极性来减小焊剂表面张力，促使焊剂与钎料和被钎焊表面产生范德华力或化学作用力而接触良好14。助焊剂中表面活性剂的添加量虽然很小，但作用却很关键，能够低“被焊接材质表面张力”，所表现出来的就是一种强效的润湿作用，它能够确保锡液在被焊接
17、物表面顺利扩展、流动、浸润等。通常焊点成球、假焊、拉尖等类似不良状况均与表面活性不够有一定关系，而这种原因不一定是焊剂“表面活性剂”添加量太少，也有可能是在生产工艺过程中造成了其成分解、失效等，从而大大减弱表面活性作用。表面活性剂因为其特殊的结构能有效地降低熔融钎料表面张力促进钎料的润湿，但钎焊后会留下吸湿性残留，所以用量不能过多15-16。3 助焊剂中常用的表面活性剂表面活性剂的分类方法很多种，一般按亲水基生成的离子类型可将表面活性剂分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型四大类。通常使用的表面活性剂，其憎水基是碳氢烃基分子并还可能含有氧、氮、硫、氯、溴和碘等元素称为碳氢表面活性剂或普通表面
18、活性剂，含有氟、硅、磷和硼等元素的表面活性剂则称为特种表面活性剂。由于氟、硅、磷和硼等元素的引而赋予表面活性剂更独特、优异的性能，含氟表面活性剂是特种表面活性剂中最重要的品种之一。根据是否含有卤素，把助焊剂用表面活性剂分为含有卤素的表面活性剂和不含有卤素的表面活性剂。3.1含有卤素的表面活性剂含卤素的表面活性剂具有活性强,助焊能力高等优势,目前助焊剂中主要常用特种表面活性剂中的碳氟表面活性剂，其具有独特的性能被概括为“三高、两憎”，即高表面活性，高耐热稳定性及高化学稳定性;它的含氟烃基即憎水又憎油17。在助焊剂中添加氟碳表面活性剂，能显著降低该助焊剂的表面张力，在焊接过程中使熔融焊料和固体基材
19、表面的界面张力减小，保证有良好的润湿性和焊接可靠性。助焊剂中常使用的碳氟表面活性剂有全氟辛基磺酞季胺碘化物、水溶性乙氧基类非离子型氟碳表面活性剂、全氟烷基胺（Ld-134）（、全氟烷基季铵盐（Ld-154）、全氟烷基甜菜碱（Ld-170）、六氟丙烯环氧齐聚物（Ld-200）、FC4430、FC4432、F5010、FSN-100、F501、F502和FS-300等，并有一些它们在助焊剂中应用用专利，如大连理工大学的马海涛;王 来等人申请的专利一种SnZn系无铅钎料用助焊剂及其制备方法，里面就选用了FSN系列碳氟表面活性剂。此外还有其它含有卤素的表面活性剂如二溴丁烯二醇，盐酸二甲胺、十六烷基三甲
20、基溴化胺，十八烷基二甲基苄基溴化铵，十八烷基三甲基溴化铵等，它们具有良好的润湿效果，助焊能力强，对焊点光亮饱满具有一定的作用，在助焊剂中也得到了很好的应用并有相关使用专利。但因含有卤素的助焊剂卤素离子很难清洗干净,离子残留度高,卤素元素(主要是氯化物)有强腐蚀性,故含有卤素的表面活性剂不适合用作免洗助焊剂的原料。并且含有卤素化合物的电子废料、塑胶产品燃烧后，易产生世界之毒二噁英类化合物，经由生物累积，造成健康危害。国际大公司如：Apple、DELL等相继于2006年底公布无卤要求规范，明确定义其产品不含卤素相关物质18。所以目前应用含有卤素的表面活性剂受到了一定的限制，但是如果只因为环保方面的
21、原因立即停掉或禁止的可能性还是比较小的，可能会有一个漫长的过程。3.2不含有卤素的表面活性剂适应电子行业迅速发展的需要，低固含量、无卤素、免清洗是今后助焊剂发展的主趋势，这就要求在配制助焊剂时应选择无卤素的表面活性剂。不含有卤素的表面活性剂与含卤素的表面活性剂相比，润湿性能弱，降低表面张力的能力差，活性小，但离子残留少，可以免清洗。目前助焊剂常用的无卤素表面活性剂为多元醇型的非离子型表面活性剂如烷基酚聚氧乙烯醚（NP,OP,TX）系列，脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）系列等,由于非离子表面活性剂在水中不电离，不以离子形式存在，因此决定了它在某些方面比离子型表面活性剂优越，具有如下特点：1稳定性高，不
22、易受强电解质无机盐类存在的影响；2不易受Mg2+、Ca2+的影响，在硬水中使用性能好；3、不易受酸碱的影响；4、与其他的表面活性剂相容性好；5、此类表面活性剂的产品大部分成液态和浆态，使用方便。其主要功能是减小焊料与引线脚金属两者接触时产生的表面张力,增强表面润湿力,增强有机酸活化剂的渗透力,也可起发泡剂的作用。此外添加OP系列表面活性剂可以增进助焊剂对被钎焊材料的均匀润湿作用，使得焊点和钎缝规正、饱满19。4 助焊剂使用的表面活性剂的展望目前助焊剂中应用的表面活性剂主要是非离子型表面活性剂,而阳离子型、阳离子型和两性表面活性剂的应用则相对较少。随着人们环保意识和电子行业的快速发展,对无铅钎料
23、用助焊剂的要求越来越高,迫切需要开发研究新型环保的无铅钎料用免清洗助焊剂。于是，对助焊剂中表面活性剂进行开发和研究将进一步受到重视。4.1.采用表面活性剂增效复配技术表面活性剂复配的目的是产生加和增效作用，即把不同类型的表面活性剂人为地混合后，得到的混合物其性能比原来单一组分的性能更加优良的效果。表面活性剂复配产生的加和增效作用及对其应用性能的改善，已为人们所知并在生产及生活中得到了实际应用20。我国表面活性剂的复配增效技术相对落后,所以应大力加强这方面的基础及应用技术研究。采用表面活性剂复配技术也是提高表面活性剂在助焊剂中的润湿能力的有效方法。另外还应注意表面活性剂的配伍性能,非离子表面活性
24、剂与其它表面活性剂具有优良配伍性能,并能产生良好的协同效应,应引起人们的重视21。4.2开发新型的助焊剂专用表面活性剂不同类型的表面活性剂具有不同的特性，例如两性表面几乎能够同所有其他类型的表面活性剂进行复配并在一般情况下都会产生加和增效的作用,在相当宽的ph值范围内具有良好的表面活性，能耐酸、碱、盐以及碱土金属盐。开发新型环保的助焊剂专用阳离子、阴离子、非离子和两性表面活性剂是助焊剂用表面活性剂发展的一个重要方向。5 结束语表面活性剂在助焊剂中的广泛使用加速了微电子连接技术的进步和行业的发展，表面活性剂在改进钎焊焊接工艺、提高产品质量方面发挥了显著的作用。表面活性剂在助焊剂的应用中有着广阔的
25、前景，在今后的助焊剂研制与开发中，作为助焊剂核心部分的表面活性剂将成为研究的重点，越来越受到人们的重视。参考文献：1 郭福，史耀武，等无铅钎焊技术与应用，科学出版社，2006.2 Trumble B. J . IEEE Spectrum, 1998, 35 (5):55-60.3 史耀武,雷永平,夏志东，等电子组装用SnAgCu系无铅钎料合金与性能J . 有色金属,2005 , 57 (3) : 815.4 Master , Raj N , Starr , et al . No clean flux for flip chip assembly P . US , 6103549. 200008
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