CN100408257C - 无铅焊料专用水溶性助焊剂 - Google Patents

Abstract

一种无铅焊料专用水溶性助焊剂属于无铅焊料助焊剂领域。本发明针对现有含铅焊料助焊剂对无铅焊料的不适应性，由下述重量百分数物质组成：硼酸和有机酸活化剂5.0-10.0%、非离子表面活性剂或阳离子表面活性剂0.1-1.0%、助溶剂8.0-20.0%、成膜剂0.1-1.0%、缓蚀剂0.1-0.5%，其余为去离子水。配制方法如下：加入助溶剂和部分去离子水，搅拌下加入成膜剂，溶解后加余量去离子水、活化剂和表面活性剂，然后加入缓蚀剂，搅拌至固体物溶解，静置过滤后保留滤液即得本发明助焊剂。本发明不含松香，无卤化物，环保，对无铅焊料助焊性能优越，焊点饱满，铺展均匀，腐蚀小，焊后残余物可溶于水，用水清洗后，干燥铜板，测试板子的表面绝缘电阻均大于1.0×10¹¹Ω，可满足高可靠性产品的要求。

Description

无铅焊料专用水溶性助焊剂

技术领域

本发明涉及一种助焊剂，特别是适应无铅焊料专用的水溶性助焊剂。

背景技术

由于全球环保法规和电子工业发展的要求，电子产品无铅化是一种必然趋势。目前国际上研究较多和初步商业化的无铅焊料是Sn-Ag和Sn-Ag-Cu共晶合金。但在研究和使用过程中发现，与传统的Sn-Pb焊料相比，无铅焊料润湿性差，易氧化，且熔点高。熔点的升高意味着焊接温度必须提高，这一方面会造成板面元件的损坏，另一方面必然会增加助焊剂中活性剂的挥发，易于引起焊剂性能的失效，而起不到良好的活化和保护作用。无铅焊料的研究和开发过程中要求必须有相应的助焊剂能与之配套使用。

近10年来，水溶性助焊剂在国内外电子工业也得到广泛的应用。以往的水溶性助焊剂有较强的活性，同时腐蚀性也较大，焊后印制板粘，不利于在线检测。而且，过去的研究主要集中在含铅焊料使用的助焊剂产品的开发上，不能满足当前无铅焊料发展的需要，有待于进一步开展关于无铅焊料专用水溶性助焊剂的研究。

[专利文献1]我国有一项助焊剂的发明专利，名称为免清洗无铅焊料助焊剂，公开号CN1562554A(公开日2005年1月12日)。该专利中所述的助焊剂成分与以往的低固含量免清洗助焊剂相似，不同点是在助焊剂成分中添加了活性增强剂，为非离子共价键的溴化物，如二溴丁二酸。该助焊剂的润湿力强，助焊性能较好，但含有卤素。含有卤素的免清洗助焊剂，焊后残留物有腐蚀性，残留离子量较高。电子产品长时间在高湿高热等环境条件下工作时，具有腐蚀性的焊后残留物将会对产品的电气绝缘性能造成潜在的危害。

一些高性能要求的电子产品，如舰艇、军用飞机等军用电子产品，由于经常在恶劣的环境下服役，因此对焊点的可靠性要求很高，在寿命期内不能出现失效现象。若使用免清洗助焊剂焊接则很难达到对可靠性的要求，因为焊后印制板免予清洗，板面上的残留物在长期潮湿或者加热的情形下将有可能变成某些电解质，导致电路板绝缘性下降，甚至发生焊点短路。这类产品焊接时最好的方法是采用水溶性助焊剂焊接。该类助焊剂成分中含有水或者焊后残余物可溶于水，因此，焊后可以用水洗干净，保证印制板板面洁净，获得较高的表面绝缘电阻，这样即使产品在极恶劣的环境下服役，也能够保证电子产品的高可靠性要求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种可以保证电子产品高可靠性要求的无铅焊料专用的水溶性助焊剂。本发明目的是针对现有含铅焊料助焊剂对无铅焊料的不适应性，提供一种能有效配合无铅焊料使用的水溶性助焊剂，本发明从环保要求考虑，助焊剂的溶剂用去离子水代替挥发性有机物(volatile organiccompound，简称VOC)溶剂。这种助焊剂对无铅焊料的润湿能力强，能增强无铅焊料的可焊性，并能适应无铅焊料的焊接温度要求，对无铅焊料合金腐蚀作用小，焊后残留物少，并可用水清洗干净，干燥后的电路板具有较高的绝缘电阻值。

对于采用无铅焊接并需要保证焊后电路板具有高可靠性要求的产品而言，该水溶性助焊剂是一种较理想的选择。

本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂，其重量百分数组成为：

硼酸和有机酸类活化剂                  5.0-10.0％

非离子表面活性剂或阳离子表面活性剂    0.1-1.0％

助溶剂                                8.0-20.0％

成膜剂                                0.1-1.0％

缓蚀剂                                0.1-0.5％

其余为溶剂去离子水。

配制方法：在带有搅拌器的反应釜中先加入助溶剂和部分去离子水，搅拌下加入成膜剂，溶解后加余量去离子水、活化剂和表面活性剂，然后加入缓蚀剂。搅拌至固体物完全溶解，物料混合均匀，静置过滤后保留滤液即得本发明助焊剂。

所述的硼酸和有机酸活化剂，其重量百分比的组成比例为16∶1-40∶1，有机酸为脂肪族一元羧酸、二元羧酸、芳香酸、氨基酸，选自是乙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、6-氧代庚酸、2-呋喃羧酸、L-精氨酸、高龙胆酸、顺丁烯二酸、丙烯酸、柠檬酸、山梨酸、乳酸中的一种或多种。其中硼酸酸性很弱，但在硼酸溶液中加入多羟基化合物，可形成配合物和H⁺而使溶液酸性增强。利用此原理选用硼酸作为活化剂，并和有机酸类活化剂组合使用。因为硼酸和有机酸的沸点及分解温度差别较大，可以使助焊剂的沸点及活性剂的分解温度呈一个较大的区间分布，保持整个焊接过程中助焊剂都具有较高的活性，获得良好的焊接效果。因为助焊剂的活化温度必须与无铅焊料合金的熔点相适应，才能起到改善其润湿性和防止氧化，提高焊接性能的效果。

所述的非离子表面活性剂或阳离子表面活性剂可选用辛基酚聚氧乙烯醚(简称为TX-10)、异辛基酚聚氧乙烯醚(简称为OP乳化剂)、非离子氟碳表面活性剂F(CF₂CF₂)_m(CH₂CH₂O)_nH(简称为FSO，其中m＝1～7，n＝1～15)中的一种或多种。非离子型比其它类型表面活性剂更易溶于水、有机溶剂(包括酸、碱介质)，与其它类型活性剂的相容性也更好。由于其在水中不电离，故对PH值稳定性高，受电解质、无机盐的影响也小。阳离子表面活性剂在水溶液中形成很强的带正电荷的胶束，促使酸型配位体的H⁺解离出来，促进络合物的形成和稳定。阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂复配使用，可发挥两者的协同作用，能有效降低无铅焊料的表面张力，获得良好的焊接效果，同时还能降低去离子水的表面张力，提高助焊剂的润湿能力。

所述的助溶剂为多元醇及醇醚类，可选自丙三醇、己二醇、二甘醇、季戊四醇、二甘醇-乙醚、二乙二醇丁醚及平均相对分子质量在200-600聚乙二醇系列中的一种或多种。

所述的成膜剂为一元脂肪酸酯、二元脂肪酸酯、芳香酸酯、氨基酸酯，可选自单硬脂酸甘油脂、己二酸二甲酯、苯甲酸乙酯、马来酸二甲酯中的一种或多种。

所述的缓蚀剂为氮杂环化合物、有机胺类缓蚀剂中的一种或多种，可选用三乙胺、苯并三氮唑。添加量为0.1-1.0％，起氧化抑制作用，减少助焊剂对印制板的腐蚀性。

本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂的使用方法是：可采用喷雾、发泡、浸渍等方法将助焊剂均匀涂敷在待焊接的PCB板上，对PCB板进行预热，预热温度为100℃(板顶测量)，将水完全蒸发掉，再经波峰焊料槽焊接，焊料槽温度视无铅焊料而定，一般为250℃-270℃，传送速度1.2-1.8m/min。

本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂是针对无铅焊料的性能而研制，对无铅焊料的助焊性能优越。尤其适用于Sn-0.7Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu三种无铅钎料。本发明选用的活化剂有足够的活性，能在焊接温度下发挥良好的去膜作用，获得光亮饱满的焊点。由于采用去离子水作为溶剂，所选用的活化剂、助溶剂、缓蚀剂均可溶解于水，某些不溶于水的物质可以在醇类助溶剂的配合下溶解，并且焊后残留物也溶于水，便于实施焊后清洗。

本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂设计科学，配制合理，具有以下优点：无松香，无卤化物，对无铅焊料润湿力强，使焊料铺展均匀，焊后残留物可溶于水，用水清洗后，印制板绝缘电阻高。另外，本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂无毒，无刺激性气味，使用安全，基本不含VOC物质，符合环保要求，且不易燃烧。

本发明与松香助焊剂和有机溶剂型免清洗助焊剂相比具有以下优势：在电子产品的生产锡焊工艺中，使用松香助焊剂，焊后残留物多，为保证电子产品的电气绝缘性，必须对印制板上的焊剂残留物进行清洗，为此需使用氟氯烷化合物。而这种化合物是大气臭氧层的耗竭物质，属于禁用和被淘汰之列；使用有机溶剂型免清洗助焊剂，在焊接过程中大量的有机溶剂将挥发出去，这样既提高了生产成本，也造成了资源浪费，并且这些有机溶剂挥发到大气中将污染环境，危害人类身体健康，同时这类助焊剂易燃，存在安全隐患，这也是绿色生产和环保要求逐渐禁用的物质。因此，以去离子水代替挥发性有机物作为溶剂是助焊剂发展的趋势。特别是对于可靠性要求较高的电子产品，使用水溶性助焊剂，焊后残留物的易清洗性更为重要，用水清洗后可以降低或消除印制板焊后残留物对电子产品性能造成的隐患，保证产品的安全使用。

本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂由于没有专门规定的检验标准，故按照按目前国际上比较认可的美国联合工业标准J-STD-004标准进行检验，各项技术指标均合格。完全能够满足军事用途产品及航空航天等高性能高可靠性电子产品的焊接要求。

本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂按以下实施例详细给出。

具体实施方式

实施例1：

硼酸      6.2

丁二酸    0.1

戊二酸             0.1

OP乳化剂           0.1

丙三醇             8.0

单硬脂酸甘油酯     0.3

苯并三氮唑         0.1

去离子水           85.1

配制方法：

在带有搅拌器的反应釜中先加入助溶剂和部分去离子水，搅拌下加入成膜剂，溶解后加余量去离子水、活化剂和表面活性剂，然后加入缓蚀剂，搅拌至固体物完全溶解，物料混合均匀，静置过滤后保留滤液即得本发明助焊剂。

经检测，本实施例无铅焊料专用水溶性助焊剂的活化温度区间为160℃-245℃，卤素含量＜0.01，清洗后印制板的绝缘电阻3.0×10¹¹Ω，扩展率82.1％，同时干燥度、发池性、铜板腐蚀性能均合格。焊接时无挥发出刺激性气味。

实施例2：

硼酸            6.2

山梨酸          0.1

己二酸          0.1

TX-10           0.2

丙三醇          10.0

二甘醇          2.0

苯甲酸乙酯      0.3

苯并三氮唑      0.1

去离子水        81.0

经检测，本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂的活化温度区间为170℃-245℃，卤素含量＜0.01，清洗后印制板的绝缘电阻4.9×10¹¹Ω，扩展率81.8％，同时干燥度、发泡性、铜板腐蚀性能均合格。焊接时无挥发出刺激性气味。

实施例3：

硼酸          4.8

6-氧代庚酸    0.2

L-精氨酸          0.1

OP乳化剂          0.3

FSO               0.1

丙三醇            8.0

二甘醇-乙醚       2.0

苯甲酸乙酯        0.3

三乙胺            0.1

去离子水          85.1

经检测，本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂的活化温度区间为150℃-245℃，卤素含量＜0.01，清洗后印制板的绝缘电阻6.0×10¹¹Ω，扩展率80.9％，同时干燥度、发泡性、铜板腐蚀性能均合格。焊接时无挥发出刺激性气味。

实施例4：

硼酸            6.3

2-呋喃羧酸      0.2

己二酸          0.1

OP乳化剂        0.1

FSO             0.2

丙三醇          12.0

聚乙二醇200     2.0

单硬脂酸甘油酯  0.2

苯甲酸乙酯      0.2

苯并三氮唑      0.1

去离子水        78.6

经检测，本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂的活化温度区间为160℃-235℃，卤素含量＜0.01，清洗后印制板的绝缘电阻4.7×10¹¹Ω，扩展率81.5％，同时干燥度、发泡性、铜板腐蚀性能均合格。焊接时无挥发出刺激性气味。

实施例5：

硼酸      8.0

乙二酸    0.2

丙烯酸    0.2

TX-10          0.4

FSO            0.2

丙三醇         12.0

聚乙二醇400    2.0

乙酸丁酯       0.2

苯甲酸乙酯     0.2

苯并三氮唑     0.2

去离子水       76.8

经检测，本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂的活化温度区间为180℃-230℃，卤素含量＜0.01，清洗后印制板的绝缘电阻2.2×10¹¹Ω，扩展率82.0％，同时干燥度、发泡性、铜板腐蚀性能均合格。焊接时无挥发出刺激性气味。

实施例6：

硼酸              8.0

顺丁烯二酸        0.1

乳酸              0.1

TX-10             0.8

FSO               0.2

丙三醇            12.0

季戊四醇          3.0

单硬脂酸甘油酯    0.4

苯甲酸乙酯        0.2

己二酸二甲酯      0.1

苯并三氮唑        0.2

去离子水          74.9

经检测，本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂的活化温度区间为165℃-245℃，卤素含量＜0.01，清洗后印制板的绝缘电阻5.3×10¹¹Ω，扩展率80.8％，同时干燥度、发泡性、铜板腐蚀性能均合格。焊接时无挥发出刺激性气味。

实施例7：

硼酸      8.0

柠檬酸    0.2

己二酸         0.2

TX-10          0.6

FSO            0.2

丙三醇         12.0

聚乙二醇600    2.0

单硬脂酸甘油酯 0.2

苯甲酸乙酯     0.2

苯并三氮唑     0.2

去离子水       76.2

经检测，本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂的活化温度区间为182℃-245℃，卤素含量＜0.01，清洗后印制板的绝缘电阻3.2×10¹¹Ω，扩展率81.5％，同时干燥度、发泡性、铜板腐蚀性能均合格。焊接时无挥发出刺激性气味。

实施例8：

硼酸             9.6

丁二酸           0.2

戊二酸           0.2

丙三醇           16.0

二乙二醇丁醚     4.0

OP乳化剂         0.3

FSO              0.1

单硬脂酸甘油酯   0.5

苯甲酸乙酯       0.3

马来酸二甲酯     0.2

苯并三氮唑       0.5

去离子水         68.1

经全面检测，本发明无铅焊料专用水溶性助焊剂的活化温度区间为150℃-245℃，卤素含量＜0.01，清洗后印制板的绝缘电阻1.9×10¹¹，扩展率84.7％，同时干燥度、发池性、铜板腐蚀性能均合格。焊接时无挥发出刺激性气味。

以上组分含量均为重量百分数。

制备方法和使用方法同实施例1。

以上实施例制成的无铅焊料专用水溶性助焊剂，按照目前国际上比较认可的美国联合工业标准J-STD-004标准进行检验，各项技术指标均合格，适合高性能电子产品的焊接生产。

Claims (9)

1. 一种无铅焊料专用水溶性助焊剂，其特征在于，它包括下述物质：

硼酸和有机酸活化剂                    5.0-10.0％

非离子表面活性剂或阳离子表面活性剂    0.1-1.0％

助溶剂                                8.0-20.0％

成膜剂                                0.1-1.0％

缓蚀剂                                0.1-0.5％

其余为溶剂去离子水，所述的百分数为重量百分数。

2. 根据权利要求1所述的无铅焊料专用水溶性助焊剂，其特征在于：所述的硼酸和有机酸活化剂，其重量百分比组成的比例范围为16∶1-40∶1。

3. 根据权利要求2所述的无铅焊料专用水溶性助焊剂，其特征在于：有机酸为脂肪族一元羧酸、二元羧酸、芳香酸、氨基酸中的一种或多种。

4. 根据权利要求2或3所述的无铅焊料专用水溶性助焊剂，其特征在于：有机酸是选自乙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、6-氧代庚酸、2-呋喃羧酸、L-精氨酸、顺丁烯二酸、丙烯酸、柠檬酸、山梨酸、乳酸中的一种或多种。

5. 根据权利要求1所述的无铅焊料专用水溶性助焊剂，其特征在于：所述的非离子表面活性剂或阳离子表面活性剂是辛基酚聚氧乙烯醚、异辛基酚聚氧乙烯醚、非离子氟碳表面活性剂F(CF₂CF₂)_m(CH₂CH₂O)_nH中的一种或多种，m＝1-7，n＝1-15。

6. 根据权利要求1所述的无铅焊料专用水溶性助焊剂，其特征在于：所述的助溶剂为多元醇及醇醚类中的一种或多种。

7. 根据权利要求6所述的无铅焊料专用水溶性助焊剂，其特征在于：所述助溶剂是选自丙三醇、己二醇、二甘醇、季戊四醇、二甘醇-乙醚、二乙二醇丁醚及平均相对分子质量在200-600聚乙二醇系列中的一种或多种。

8. 根据权利要求1所述的无铅焊料专用水溶性助焊剂，其特征在于：所述的成膜剂为一元脂肪酸酯、二元脂肪酸酯、芳香酸酯、氨基酸酯中的一种或多种。

9. 根据权利要求1所述的无铅焊料专用水溶性助焊剂，其特征在于：所述的缓蚀剂为氮杂环化合物、有机胺类缓蚀剂中的一种或多种。