CN102513736B - 一种膏状焊接组合物及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膏状焊接组合物，按重量百分比计由以下组分组成：白凡士林10-40，切片石蜡5-20，三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯5-30，碳氢溶剂5-40，盐类活化剂2-20，缓蚀剂0.05-5。盐类活化剂是有机磷酸与二乙基羟胺中和反应形成的盐。制备该膏状焊接组合物的方法包括如下步骤：白凡士林、切片石蜡、三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯按比例配比，加热成澄清溶液后冷却成膏状，再与盐类活化剂和缓蚀剂混合研磨得到膏状焊接组合物。该组合物可与锡基软钎焊料合金粉末进一步制成焊锡膏，具有助焊活性强、贮存期长、可点涂的特点，适应多种金属材料的快速加热焊接。

Description

一种膏状焊接组合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于工业软钎焊领域，具体涉及一种膏状焊接组合物及其制备方法和应用。该膏状焊接组合物可用于进一步制成焊锡膏。

背景技术

焊锡膏是电子印制电路板回流焊接所使用的焊料。焊锡膏是由超细锡基球形焊料粉（20-75μm）和膏状焊接组合物（助焊膏）混合搅拌而成的。助焊膏通常包含树脂、触变剂、溶剂、活化剂、缓蚀剂及其他助剂。助焊膏在焊锡膏中有两个功能：一是帮助焊接，即在受热时去除金属氧化物，助焊膏中需添加活化剂;二是作为焊料粉的载体，助焊膏需添加树脂、溶剂、触变剂等调配成合适的膏状。

应用于电子印制电路板焊接的传统焊锡膏，所使用的树脂材料通常为松香及其衍生物，也有报道使用环氧树脂（公开号：CN 1543385A）其作用主要在于使焊锡膏具有一定的粘度与粘性，在焊接过程中起一部分去除氧化物的助焊作用，并在焊接完成后形成无腐蚀、不导电的保护层。但松香提供的助焊活性不足，助焊剂中需添加活化剂（例如：丁二酸等有机酸、2-乙基咪唑等有机胺），为提高焊锡膏的焊接能力也会加入有机卤化物作为加强活性，授权公告号CN 100571962C、授权公告号CN100421862C等公开了有效的活化剂。传统印制电路板用焊锡膏由于其特定工艺需要，其活化剂添加原则在于：1）为提高焊锡膏的保质期而选用较高温度才强烈发挥去除氧化物活化作用的活化剂，这类活化剂通常在室温或低温去除氧化物的能力很弱，在焊接过程中需要较长加热时间才能完成好的焊接效果。2）印制电路板的焊盘镀层通常为Cu、Au、Ag、Sn等，这些镀层表面的氧化物相对容易去除，而且印制电路板通常采取涂覆OSP涂层、真空包装等防护措施，印制电路板通常表现比较良好的钎焊性。而印制电路板焊接焊后通常是免洗的，要求具有较高的表面绝缘电阻、低的腐蚀性。添加有机酸（丁二酸、己二酸等）、有机胺（环己胺、三乙醇胺、2-乙基咪唑等）、卤素化合物（二苯胍氢溴酸盐、三乙醇胺氢溴酸盐、二溴丁二酸等）即可满足要求，这些活化剂的添加量需进行控制。强酸（氟硼酸、氟硅酸、磷酸、有机磷酸等）等具有强腐蚀的活化剂是无需添加也不能添加。未经过改良直接添加强腐蚀性活化剂将表现为焊锡膏粘度短时间内劣化，不能使用模板印刷，更不能采用点胶设备点涂。

高频感应加热、脉冲热压焊机等设备有加热迅速、无明火、焊接时间短（通常小于10秒）、可自动化作业等优点。焊锡膏呈膏状，可用自动点胶设备在焊接部位准确定量涂覆，在操作过程中具有操作简单、工艺方便、自动化程度高、焊料供应均匀等特点。两者相结合工艺上有明显优势，可广泛在工业软钎焊领域用于金属焊接。应用于此类工艺的焊锡量也与日俱增。例如专利号US2003/0019912A1公开了高频感应加热机应用于焊接的工艺，其中有详细的说明。

本发明所述金属器件是指马口铁、锌合金、锡合金、镀锌钢板、镀镍铝片、黄铜、不锈钢等金属制品，例如：分支分配器的外壳、滤波器的外壳、合金首饰制品等等。这些金属器件由于材料特性、暴露贮存等原因容易表现为很差的钎焊性。若直接采用传统印制电路板用焊锡膏用于上述金属制品快速加热焊接，容易表现为局部不润湿或完全不润湿。

发明内容

本发明的目的是提供一种膏状焊接组合物，该组合物可与锡基软钎焊料合金粉末（熔点小于250℃）进一步制成焊锡膏，具有助焊活性强、贮存期长、可点涂的特点，适应多种金属材料的快速加热焊接。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种膏状焊接组合物，该焊接组合物按重量百分比计由以下组分组成：

白凡士林                       10-40%

切片石蜡                       5-20%

三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯       5-30%

碳氢溶剂                       5-40%

盐类活化剂                     2-20%

缓蚀剂                         0.05-5%。

本发明膏状焊接组合物的一个特征在于：以白凡士林、切片石蜡、三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯、碳氢溶剂来调制膏体。这有别于传统焊锡膏，不使用松香树脂、触变剂、常规醇醚类溶剂。所述膏体与焊料粉末有良好的亲和性，搅拌成的焊锡膏膏体顺滑，点涂性能好，同时膏体的化学极性属非极性，对所添加的盐类活化剂的溶解度极低，有利于延长焊锡膏的贮存期。

所述白凡士林是常规市售的，呈白色润滑膏状，典型的熔点为46-60℃，其优选的添加量为膏状焊接组合物质量的10-40%。由于具有随温度变化粘度明显变化等缺点，不能直接单独使用。

所述切片石蜡是常规市售的，典型的熔点为58-60℃，其优选的添加量为膏状焊接组合物质量的5-20%。

所述三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯，其中三羟甲基丙烷单体、油酸单体和二聚酸单体的重量之比为1:（0.1-6.0）：（0.1-6.0）。三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯是一种高分子聚合物，其中的二聚酸单体的比例越大粘度和粘性都会更大。在本发明的组合物配方中三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯具有的特性如下：1）适当的粘度与粘性，且粘度随温度变化率低可用于调配膏体；2）具备耐高温性，焊接时稳定，烟气少；3）具备润滑性，所制备的焊锡膏外观顺滑油亮，点涂性能好；4）对所选用的活化剂溶解度低，利于提高焊锡膏保质期。因此，本发明组合物组分中的三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯中的三羟甲基丙烷单体、油酸单体和二聚酸单体优选的重量之比为1:（0.1-6.0）：（0.1-6.0）。三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯优选的添加量为膏状焊接组合物质量的5-30%。

所述碳氢溶剂沸点优选为200-300℃，具有较低的粘度，其优选的添加量为膏状焊接组合物质量的5-40%。

所述盐类活化剂是有机磷酸与二乙基羟胺中和反应形成的盐。该有机磷酸与二乙基羟胺中和反应形成的盐是选自羟基乙叉二膦酸二乙基羟胺盐、乙二胺四甲叉膦酸二乙基羟胺盐、二乙烯三胺五甲叉膦酸二乙基羟胺盐、2-羟基膦酸基乙酸二乙基羟胺盐、或氨基三甲叉膦酸二乙基羟胺盐中的一种。

本发明的膏状焊接组合物另一个特征在于添加特定的盐类化合物作为活化剂，这些盐类化合物优选自有机磷酸与二乙基羟胺所形成的盐。具体实例包括：羟基乙叉二膦酸二乙基羟胺盐、乙二胺四甲叉膦酸二乙基羟胺盐、二乙烯三胺五甲叉膦酸二乙基羟胺盐、2-羟基膦酸基乙酸二乙基羟胺盐、氨基三甲叉膦酸二乙基羟胺盐等。盐类活化剂优选以2-20WT%的量添加，基于膏状焊接组合物的总量计。

所述缓蚀剂，这些缓蚀剂选自1,2,3-苯骈三氮唑、苯骈咪唑或甲基苯骈三氮唑等。这种缓蚀剂优选以0.05-5WT%的量添加，基于膏状焊接组合物的总量计。

本发明还提供一种制备该膏状焊接组合物的方法，该方法是将白凡士林、切片石蜡、三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯按比例配比，加热成澄清溶液后冷却成膏状，再与盐类活化剂和缓蚀剂混合研磨得到膏状焊接组合物。

采用本发明的方法得到的焊接组合物可以与锡基球形合金粉通过真空搅拌混合制成焊锡膏，可应用于金属器件的快速加热焊接工艺，尤其可用于高频感应加热机、电烙铁、脉冲热压焊机等一系列快速加热焊接工艺。

本发明的膏状焊接组合物是应用于钎焊性较差的金属器件，希望加入具有强助焊能力的有机磷酸类活化剂，这些有机磷酸类活化剂在室温即能与锡粉反应而导致焊锡膏粘度的劣化。我们将所优选的有机磷酸与二乙基羟胺中和反应成固态的盐类化合物，反应生成的盐在室温条件下是固体，具有合适的熔点，且完全不溶解于上述凡士林膏体中。在加热焊接时，盐类活化剂熔融或分解便发挥出极强的助焊活性，完成金属器件的焊接。另外，二乙基羟胺的添加对助焊能力是有所提高的。

当本发明的膏状焊接组合物与锡基球形焊料粉混合时，可以获得焊锡膏。这些锡基焊料粉可以是通过离心或超声雾化工艺雾化并筛分而得。锡基球形焊料粉的颗粒大小与常规所用的相同，通常为25－45μm、20－38μm或更细。对所选用的焊料合金要求熔点低于250℃，可以使用传统的Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2合金，也可以使用新型的无铅合金，例如：SnAgCu、SnAg、SnBi、SnBiCu、SnBiAg、SnBiCuSb等。这些焊料合金还可包括一个或多个Bi、In、Ag、Ni、Co、Mo、Fe、P、Ge或类似物。对在这些焊锡膏中的膏状焊接组合物的含量没有特别限制，且优选为8-14WT%，以焊锡膏的总量计。

本发明的膏状焊接组合物可主要应用于与锡基球形合金粉（熔点小于250℃）通过真空搅拌混合形成焊锡膏，应用于金属器件的快速加热焊接，可用于高频感应加热机、电烙铁、脉冲热压焊机等一系列快速加热焊接工艺。

通过优选凡士林等调配膏体、添加有机磷酸与二乙基羟胺所形成的盐类化合物活化剂，并加入合适的缓蚀剂。所制备焊锡膏具有如下特性：1）点涂顺畅，冷藏六个月或室温存放30天后回温仍能正常使用；2）助焊活性强且快速释放，能适应快速加热完成焊接的要求，对多种金属材质有广泛适应性。所述焊接组合物在焊后具有一定的腐蚀性，需采用擦拭或溶剂清洗的方式去除。

具体实施方式

实施例1：

以下借助实施例和对比例来详细描述本发明，通过实施例与对比例的检验测试来说明本发明达到的显著作用，参见表1膏状焊接组合物的组分和重量百分比含量的配比。实施本发明的方式不限于实施例，而仅仅是举例说明。

表1 膏状焊接组合物的组分和含量配比

上述膏状焊接组合物的总量为100g，各组分含量的单位为g。

实施例1 制备工艺：

将白凡士林、切片石蜡、碳氢溶剂、三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯按比例加入烧杯中，加热至澄清后慢速搅拌冷却。称入羟基乙叉二膦酸二乙基羟胺盐、1,2,3-苯骈三氮唑，并用三辊研磨机研磨，用刮板细度剂进行检测，膏体细度小于10μm即可得膏状焊接组合物。

对比例1制备工艺：

将白凡士林、切片石蜡、碳氢溶剂、三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯按比例加入烧杯中，加热至澄清后慢速搅拌冷却。称入丁二酸、2-乙基咪唑、二苯胍氢溴酸盐、1,2,3-苯骈三氮唑，并用三辊研磨机研磨，用刮板细度剂进行检测，膏体细度小于10μm即可得膏状焊接组合物。

对比例2制备工艺

将氢化松香、聚合松香、二乙二醇单己醚、氢化蓖麻油按比例加入烧杯中，加热至澄清后慢速搅拌冷却。称入羟基乙叉二膦酸二乙基羟胺盐、1,2,3-苯骈三氮唑，并用三辊研磨机研磨，用刮板细度剂进行检测，膏体细度小于10μm即可得膏状焊接组合物。

对比例3制备工艺

将氢化松香、聚合松香、二乙二醇单己醚、氢化蓖麻油按比例加入烧杯中，加热至澄清后慢速搅拌冷却。称入丁二酸、2-乙基咪唑、二苯胍氢溴酸盐、1,2,3-苯骈三氮唑，并用三辊研磨机研磨，用刮板细度剂进行检测，膏体细度小于10μm即可得膏状焊接组合物。

对比例中，松香选用现电子行业用锡膏常用的聚合松香和氢化松香；溶剂选用二乙二醇单己醚，活化剂选用丁二酸，2-乙基咪唑，二苯胍氢溴酸盐，触变剂为氢化蓖麻油。这些材料均为印制电路板用焊锡膏常用的，具备普通特性。

将实施例与对比例所得膏状焊接组合物分别与锡基球形焊料粉在抽真空条件下充分搅拌混合生产焊锡膏。使用两种锡基球形焊料粉来试验，分别为有铅焊料Sn63Pb37（粒径25－45μm）、无铅焊料SnAg0.3Cu0.7（粒径25-45μm），按膏状助焊剂与焊料粉的质量比为11:89进行配制，等到8种不同的焊锡膏。

将上述8款焊锡膏按照下列试验方法进行试验：

1)  焊料润湿率

将焊锡膏印刷于30mm×30mm的镀镍铝片上，印刷形状为厚度0.2mm、直径8mm的圆形图案，将镀镍铝片用高频感应加热机加热，调节高频感应加热机加热功率，使加热焊锡膏至完全熔化的加热时间为10秒。熔化冷却后，根据下列公式计算焊料润湿率。润湿率（%）=S/50.24*100%；

注：S表示焊接后焊料覆盖在镀镍片上的实际面积，单位mm2；

50.24为焊锡膏印刷的面积，单位mm2；

2)  点涂顺畅性：

将50g实施例与对比实施例锡膏装填入点胶针管中，30℃恒温烘箱中放置30天，使用自动点胶设备进行点涂试验，选用的0.4mm针头，气压0.4MPa。

详细试验结果见表2

表2 不同配方锡膏的性能试验

从表2试验结果可以看出：

对比例1使用凡士林膏体、印制电路板常用活化剂，表现为比较好的点涂顺畅性，但润湿性表现很差。

对比例2使用印制电路板常用松香膏体，有机磷酸盐活化剂，表现为好的润湿率，但点涂顺畅性很差。

对比例3为印制电路板焊锡膏普通配方，虽然点涂顺畅，但润湿率差。

本发明实施例使用凡士林等调配膏体，使用羟基乙叉二膦酸二乙基羟胺盐作为活化剂，具有好的综合性能。

 实施例2：

按下述比例称取并混合原料（克），

制备100g膏状焊接组合物，分别按如下组分和含量（g）配比制备：

1． 白凡士林 10、切片石蜡 5、三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯 30、碳氢溶剂 40、羟基乙叉二膦酸二乙基羟胺盐 10、1,2,3-苯骈三氮唑5；

2． 白凡士林 40、切片石蜡 20、三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯 5、碳氢溶剂 14.95、乙二胺四甲叉膦酸二乙基羟胺盐20、苯骈咪唑0.05；

3． 白凡士林 40、切片石蜡 20、三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯 30、碳氢溶剂 5、二乙烯三胺五甲叉膦酸二乙基羟胺盐2、甲基苯骈三氮唑 3。

按照实施例1的制备工艺操作均可得到综合使用效果较佳的膏状焊接组合物和焊锡膏。将这些制备好的膏状焊接组合物进行性能试验，试验结果与实施例1相接近，均表现为较好的润湿率和点涂顺畅性能。此外，上述组合物中的组分羟基乙叉二膦酸二乙基羟胺盐、乙二胺四甲叉膦酸二乙基羟胺盐、以及二乙烯三胺五甲叉膦酸二乙基羟胺盐均作为盐类活化剂。这些盐类活化剂具有合适的熔点，且完全不溶解于上述凡士林膏体中，室温不发挥化学助焊作用，焊锡膏贮存温度性好。在加热焊接时，盐类活化剂熔融或分解便发挥出极强的络合能力和助焊作用，完成金属器件的焊接。该盐类活化剂选用2-羟基膦酸基乙酸二乙基羟胺盐或氨基三甲叉膦酸二乙基羟胺盐作为等同替代，性能和效果不变。

尽管关于优选的实施方案已对本发明进行了具体的描述，这些实施方案仅仅是解释而不是限制本发明。本领域的技术人员可以理解，在未脱离权利要求中所阐述的本发明的范围的条件下，可以对上述实施方案进行各种修改。

Claims (6)

1.一种膏状焊接组合物，其特征在于该焊接组合物按重量百分比计由以下组分组成：

白凡士林                         10-40%

切片石蜡                         5-20%

三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯         5-30%

碳氢溶剂                         5-40%

盐类活化剂                       2-20%

缓蚀剂                           0.05-5%

所述盐类活化剂是有机磷酸与二乙基羟胺中和反应形成的盐。

2.根据权利要求1所述的膏状焊接组合物，其特征在于：所述有机磷酸与二乙基羟胺中和反应形成的盐选自羟基乙叉二膦酸二乙基羟胺盐、乙二胺四甲叉膦酸二乙基羟胺盐、二乙烯三胺五甲叉膦酸二乙基羟胺盐、2-羟基膦酸基乙酸二乙基羟胺盐、或氨基三甲叉膦酸二乙基羟胺盐中的一种。

3.根据权利要求1所述的膏状焊接组合物，其特征在于：所述三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯是由重量之比为1:（0.1-6.0）：（0.1-6.0）的三羟甲基丙烷单体、油酸单体和二聚酸单体反应生成的。

4.制备权利要求1所述膏状焊接组合物的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：白凡士林、切片石蜡、三羟甲基丙烷油酸二聚酸酯按比例配比，加热成澄清溶液后冷却成膏状，再与盐类活化剂和缓蚀剂混合研磨得到膏状焊接组合物。

5.一种膏状焊接组合物的应用方法，其特征在于：该方法是将权利要求4中制备得到的膏状焊接组合物与锡基球形合金粉在真空条件下搅拌混合制成焊锡膏。

6.根据权利要求5所述的膏状焊接组合物的应用方法，其特征在于：膏状焊接组合物以重量百分比计在焊锡膏中的含量为：8-14%。