锡膏用助焊剂在钎焊过程中作用机理

摘要：

在钎焊过程中，助焊剂主要用于去除焊接表面的氧化物，使焊点更加清洁、光滑和美观，确保焊点的稳定性和可靠性。锡膏用助焊剂是一种用于焊接的溶剂，能够帮助焊点更加牢固地连接，从而提高焊接质量和可靠性，在钎焊过程中发挥着重要作用，对电子行业的生产和发展产生了重要影响。

助焊剂通常是以松香为主要成分的混合物，能溶解或去除金属表面的氧化物、酸性物质等物质。助焊剂中含有一定的活性成分，可与金属表面产生化学反应，从而产生润湿性较强的物理吸附膜，起到润湿金属表面的作用。助焊剂中的活性成分通常是含氧化合物和有机酸，助焊剂在钎焊过程中的主要作用包括：①溶解或去除金属表面氧化物及油垢；②与焊接金属或焊料进行润湿和铺展；③减少焊接金属间化合物（IMC）层的生成；④提高焊接接头强度。文章将对锡膏用助焊剂在钎焊过程中的作用机理进行分析，并对助焊剂的选择原则进行阐释。

1 助焊剂的作用

1.1 溶解和去除金属表面氧化物及油垢

助焊剂对金属表面氧化物的作用主要是通过溶解或去除来实现的，助焊剂中的活性成分能与金属表面发生化学反应，从而使金属表面上的氧化物和油垢被溶解或去除［1］。在焊接过程中，助焊剂中的活性成分与金属表面发生化学反应，将氧化物和油垢溶解或去除，以达到清洁金属表面的目的。

（1）助焊剂应有适当的活性温度范围。在焊料熔化前开始起作用，在施焊过程中较好地发挥清除氧化膜、降低液态焊料表面张力的作用。焊剂的熔点应低于焊料的熔点，但不宜相差过大。

（2）助焊剂应有良好的热稳定性，一般热稳定温度不小于 100℃。

（3）助焊剂的密度应小于液态焊料的密度，这样助焊剂才能均匀地在被焊金属表面铺展，呈薄膜状覆盖在焊料和被焊金属表面，有效地隔绝空气，促进焊料对母材的润湿。

（4）因为焊剂一般都是与焊料配合使用的，所以根据焊剂的不同，可以分为软焊剂和硬焊剂。松香、松香混合焊剂、焊膏、盐酸等软焊剂，用于电子产品的装配和维修。

如果不能及时将反应产物从金属表面除去，这些反应产物就会在焊接过程中被氧化或分解生成新的氧化物及油垢。

在钎焊过程中，助焊剂中活性成分与金属表面发生反应，产生的气体可引起气体膨胀或放出热量，从而促进了焊缝的形成［2］。同时也可以加速焊接过程中焊料熔化和溶入金属基体，有利于提高焊接接头质量。

1.2 润湿和铺展作用

锡膏是一种固态钎剂，具有良好的可焊性，而助焊剂对焊料具有润湿和铺展作用，这是焊接工艺中最重要的一环。润湿和铺展作用是指在焊接过程中，焊料与熔融的焊剂接触时，两种不同材料之间由于分子间相互作用，从而使两种材料之间形成一层较薄的液体膜（即润湿膜）。当润湿膜出现在两种材料之间时，这种现象称为润湿。当润湿膜达到一定厚度后，两种材料之间将会发生铺展现象，这种现象称为铺展［3］。锡膏中常用的助焊剂的溶液滴落到有焊料的 PCB 板表面时所形成的铺展状态。在锡膏中，当助焊剂与焊料相互作用时会使其发生相互溶解作用。

1.2.1 溶解作用

在钎焊过程中，锡膏用助焊剂的溶解作用非常重要。助焊剂可帮助消除焊接过程中的缺陷，提高焊接质量。在焊接过程中，由于焊接温度较高，焊接部位会产生氧化、腐蚀等问题，会影响焊接质量。锡膏用助焊剂的溶解作用还可提高焊接温度。在焊接过程中，由于焊料的熔化和蒸发，会产生大量的热量和水汽，这些热量和水汽会对焊接质量造成影响。而助焊剂可以帮助促进焊料的溶解，提高焊料的溶解度，从而提高焊料的溶解速度和溶解程度。在实际应用中，应根据具体情况选择合适的锡膏用助焊剂，以保证最佳的钎焊效果。

1.2.2 吸附作用

当 PCB 板上的助焊剂溶液接触到焊料后，首先会在焊料表面上生成一层薄的覆盖层，然后在表面层与基板之间发生化学反应。这个反应一般发生在焊料溶解过程中。如果没有反应，助焊剂溶液将会被焊料的表面所吸附，但这种吸附不是永久性的，随时间的推移，助焊剂溶液会被消耗掉。如果焊接温度高，助焊剂在焊接过程中不断蒸发，表面层就会不断地被消耗掉。在锡膏中添加一定剂量的助焊剂时，会使焊后的PCB 板表面生成一层均匀的覆盖层。这种覆盖层具有一定的厚度（约为0.1~0.15μm），当覆盖层完全被消耗掉后，会使锡膏具有一定的流动性。这种流动性可以保证焊接过程中焊料能够均匀地与 PCB 板表面接触并发生润湿现象。

1.2.3 溶胀作用

锡膏用助焊剂的溶胀作用是指助溶剂在钎焊过程中溶解被焊接材料，使其形成冶金结合的过程。在钎焊过程中，助焊剂的溶胀作用是非常重要的，因为它可以减少焊接温度和时间，提高焊接质量和可靠性。在锡膏用助焊剂中，溶剂的溶胀作用主要体现在以下方面：首先，溶胀作用可以降低焊接温度。当助焊剂中的溶剂被加热时，它们会溶解焊接材料中的金属离子，从而降低焊接温度。例如，在钎焊过程中使用的锡膏中含有铅和锡，都会对焊接温度产生影响。使用溶剂可以降低这些金属离子的溶解程度，从而降低焊接温度。其次，溶胀作用可以增加焊接材料的体积。这可以使焊接材料更加坚固，并且减少了焊接过程中的变形和裂纹等问题。最后，溶胀作用还可以提高焊接质量和可靠性。这可以减少焊接过程中的缺陷和不良现象，提高了焊接质量和可靠性。在选择锡膏用助焊剂时，需要考虑其溶胀作用和其他性能要求，以确保其能够满足实际生产需求。

1.3 减少焊接金属间化合物（IMC）层的生成

锡膏用助焊剂助焊的原理是在金属表面上形成一层均匀的、薄而致密的、具有良好润湿性的保护膜，同时又有一定厚度的物理吸附膜［4］。焊接后，这层物理吸附膜会随着时间不断增加，从而减少焊接金属间化合物（IMC）层的生成，以提高接头强度。

影响焊接金属间化合物（IMC）生成的主要因素有：

（1）合金元素对 IMC 生成有一定影响，如 Fe、Cu、Ni、Cr等金属元素，能与 Sn、Sb 形成合金相。由于 Sn 具有较强的还原性，所以在焊接过程中会使锡与这些金属元素发生反应，从而生成 IMC层。

（2）助焊剂中的成分和工艺条件也会影响IMC 层的形成。例如，Sn 含量过高，会使锡与其他金属形成化合物。焊接温度过高、锡膏印刷压力过大、钎焊时间过长等都会造成 IMC 层生成。

（3）另外，助焊剂中还含有大量的含氧化合物和有机酸。这些物质与金属表面反应生成有机酸和氧酸盐等物质，这些物质能吸附在金属表面形成一层保护膜，阻止锡膏与被焊金属接触并进一步发生化学反应。

（4）助焊剂中含有大量的活性物质和活性氧化物，在高温下可起到分解作用，从而减少 IMC 层的生成。目前常用的活性物质有氢化蓖麻油、乙氧基乙醇、丙酮、三乙醇胺、二甲苯等。

1.3.1 氢化蓖麻油

蓖麻油是一种高级润滑油，可作润湿剂、乳化剂、分散剂、助焊剂等。在锡膏用助焊剂中蓖麻油作为活性物质，具有以下优点：①能与锡反应生成金属间化合物（IMC），在焊接时不会形成覆盖层，对印刷电路板表面损伤小。②蓖麻油能在锡膏表面形成一层均匀的薄膜，膜厚约 10~20μm，可有效防止锡膏中的金属颗粒进入元件内部。③蓖麻油可以改变锡膏表面的微观结构，增加其润湿性。

蓖麻油由于其分子结构的特殊性，在助焊剂中一般不直接作为活性物质使用，而是与其他物质混合后再使用。例如，与乙氧基乙醇混合后可作助焊剂；与丙酮、二甲苯等混合后可作溶剂；与甲酸、草酸等混合后可作乳化剂；与丙酮、甲酸等混合后可作分散剂和润湿剂。

1.3.2 乙氧基乙醇

乙氧基乙醇是一种高效的助焊剂，对金属表面具有较好的润湿性，能在金属表面形成一层均匀的、薄而致密的物理吸附膜，可防止金属表面氧化。但其溶解性较差，一般在助焊剂中添加量为1.5%~2%，这是由于它能与锡形成金属间化合物。

一般锡膏中添加量为 3%~5%。乙氧基乙醇能与多种金属元素反应，在锡膏中添加少量的乙氧基乙醇，可减少 Sn 与其他金属元素的反应，提高抗氧化能力；在高温条件下能分解出活性物质，从而抑制了Sn 的氧化和锡膏中有机物的生成，从而减少了 IMC 层的生成。

在锡膏中添加一定量的乙氧基乙醇后，焊后能使焊点更加牢固。这是由于乙氧基乙醇能与锡形成一层保护膜，阻止焊点与被焊金属发生化学反应；同时还能使锡形成一层物理吸附膜，从而减少了 IMC 层的生成。另外，在锡膏中添加 2%~3%乙氧基乙醇后，焊后不会产生浮渣、结皮等现象；焊后对电路板和印刷面无腐蚀作用；具有良好的润湿性。

1.4 提高焊接接头强度

随着电子产品向高密度、高性能、小型化、薄型化方向发展，对焊接接头的强度提出了更高的要求。焊接接头强度可分为两个部分，一个是机械强度，另一个是热强度。

一般情况下，热强度主要由热膨胀系数来决定，而机械强度则由焊接接头的硬度和抗拉、抗剪强度来决定。当焊料与母材之间存在较大的应力时，焊后焊点表面就会产生裂纹，这种裂纹会随着时间的延长而扩展［5］。由于钎焊温度很高，焊点金属液蒸发掉后，在焊点附近的金属表面还会形成一层很薄的氧化膜，如果这层氧化膜不能及时去除掉，就会导致焊点表面疏松多孔、组织结构发生变化而降低接头的机械性能。在锡膏焊接工艺中添加助焊剂可以使金属表面和空气之间形成一层保护膜，这层保护膜能够阻止金属表面发生氧化反应。同时，锡膏中含有活性成分，可以在高温作用下发生反应并释放出气体，从而使焊点周围产生一定压力，防止焊点周围的金属过度膨胀而造成焊接缺陷。

由于电子产品尺寸越来越小、重量越来越轻、工作电压越来越高、使用频率越来越高、工作环境越来越恶劣等原因，导致对电子产品焊接质量要求也越来越高。为了满足上述要求，使用锡膏焊接工艺的电子产品在出厂前都会经过严格的测试和检验。通常情况下，锡膏中的活性成分在高温条件下会发生化学变化和物理变化。当助焊剂中的活性成分与金属表面反应后生成一种氧化物时（即为助焊剂氧化膜），这种氧化物可阻止金属表面的进一步氧化反应。此外，由于金属表面生成了氧化物保护膜（即为氧化膜）之后，对其进行高温加热时，就会在其表面形成一层致密而又光滑的氧化膜。

这种氧化膜具有很强的耐磨性和耐腐蚀性。当电子产品进行焊接时，氧化膜就会作为一种保护层，防止钎焊过程中产生的金属原子从金属表面逸出，并与母材金属发生化学反应。因此，在焊接过程中添加助焊剂可以有效地降低钎焊温度和增加钎焊时间，从而减少或避免在焊接过程中产生氧化反应和降低金属表面的氧化膜厚度。

与助焊剂性能密切相关的主要是助焊剂中活性成分含量，及其对焊接接头性能影响的大小。常用的锡膏中活性成分包括机酸、有机碱、盐等。这些活性成分与锡膏中其他组分共同组成了锡膏中助焊剂体系。其中有机酸和有机碱是助焊剂中最重要的活性成分。在锡膏中添加助焊剂时需要考虑到以下方面：①助焊剂中活性成分含量必须符合规范要求；②助焊剂与金属表面反应后形成的氧化膜厚度不能超过规定要求；③助焊剂在焊接过程中不会被金属溶解或析出；④锡膏用助焊剂应当无毒无害且对环境污染小。

由于锡膏中所含的活性成分在助焊剂中含量较少，所以在选择锡膏时要遵循以下两个原则：①无铅焊料要优于有铅焊料；②对于使用了助焊剂的电子产品，尽量使用无铅锡膏。

1.5 其他作用

（1）对焊料的润湿性好，可使焊料与基体金属形成良好的结合，降低界面能，提高结合力。

（2）可防止在钎焊过程中由于高温而使焊接金属表面氧化物脱落。

（3）焊接后表面光洁度高。由于助焊剂本身的成分与金属材料发生化学反应，形成的膜使助焊剂与金属材料之间形成了一层保护膜，从而使焊点表面光洁度高。

（4）可提高焊点强度。由于助焊剂中的活性成分可以在金属表面形成一层润滑膜，减小了摩擦系数，从而提高了焊点的强度。

（5）对焊接部位有一定的保护作用。由于助焊剂中含有少量的重金属成分，在焊接后能够起到一定的保护作用。

（6）易清洗，使用寿命长。在使用过程中，助焊剂不会残留在金属表面，而且可以反复清洗，从而延长了助焊剂的使用寿命。

（7）焊接温度低，焊接热循环次数少。由于助焊剂中含有大量的有机酸和醇类物质，在焊接过程中能大大降低焊接温度，减少了焊接热循环次数。

2 结束语

综上所述，助焊剂的作用是帮助焊接表面从基体金属中去除。在焊接过程中，助焊剂通过溶解、润湿和浸润等作用，将金属表面的氧化物去除，形成平整的、有光泽的表面。助焊剂还可以促进焊接过程中合金元素的扩散，提高焊接质量。助焊剂在焊接过程中起着非常重要的作用，它可以帮助减少焊接过程中的污染和不良影响。在选择和使用助焊剂时，需要综合考虑焊接材料、焊接工艺和环境等因素，以确保最终的焊接质量符合要求。

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