CN104289827B - 一种助焊剂和焊膏 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种助焊剂和焊膏；所述助焊剂用于与焊料粉末混合而生成焊膏，所述助焊剂中包含聚乳酸，所述聚乳酸的添加量满足：焊膏中的焊料粉末在常温环境下不发生沉降。所述助焊剂中聚乳酸的重量百分比含量大于等于0.1％、小于2.0％。添加此含量聚乳酸的助焊剂具有阻止焊料粉末在常温环境发生沉降的功能，并且其在焊接时因加热能够分解蒸发，不会残留焊料残渣。此外，助焊剂中还包含对聚乳酸具有良好溶解性的助溶剂，优选乙酸乙酯，其有利于聚乳酸的分散，降低聚乳酸对焊膏润湿性的影响。

Description

一种助焊剂和焊膏
技术领域
本发明涉及一种助焊剂和焊膏，尤其涉及一种既能够防止焊料粉末沉降又能实现无残渣的助焊剂和焊膏。
背景技术
助焊剂具有在焊料熔化情况下清除存在于焊料和焊接对象的金属表面的金属氧化物，使两者界面金属元素移动成为可能的功能。助焊剂可以使焊料与焊接对象的金属表面之间形成金属间化合物，从而能够得到牢固的结合。
焊膏是将焊料粉末和助焊剂混合而成的复合材料。在焊膏中使用的助焊剂成分主要包括：提高润湿性和活性的活化剂，对各部分(主要是固体部分)有溶解能力的溶剂，可以去除氧化膜的松香，及能够防止焊料粉末沉降、且可调节焊膏粘度的触变剂。焊料粉末与助焊剂混合后各组分会保持一定时间的均匀分散，但由于固态组分和液态组分之间的密度差异会使得焊料粉末在体系中发生沉降。
另外，上述助焊剂中某些组分在焊接加热时不会发生蒸发或分解，特别是触变剂，焊接后焊接部位周围会残留助焊剂残渣。某些触变剂，如高级脂肪酸，虽然加热后能够蒸发或分解不会残留助焊剂残渣，同时可以极大改善焊膏流动性，但是其不具备阻止焊料粉末沉降的作用。
现阶段，许多电子产品越来越重视基板的保护，需要防止水、灰尘等杂质影响到基板的整体性能，以延长电子设备的寿命和可靠性。因此，某些电子设备会选择或者必须在基板上涂布一层树脂以达到此目的，例如，汽车的电子设备，长期处于室外环境的LED路牌等。但焊接部位附近助焊剂残渣的存在会影响到树脂在该部位的固化效果，例如固化效率降低，固化不完全，甚至可能使得树脂与该部位之间留下空隙，无法达到树脂涂布的原目的。同时，树脂涂布材料若固化不充分，并以这种状态放置，电极间绝缘电阻容易下降，这将给焊接后的可靠性带来严重不良影响。
为解决上述技术问题，传统解决方案是根据树脂涂布材料与助焊剂残渣的相容性对前者进行选型，或者用溶剂对基板进行清洗，去除基板上的助焊剂残渣。但是，这些方法无疑都会明显地增加物料与时间成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种既可以防止焊料粉末颗粒在常温环境下发生沉降，焊接过程中因加热蒸发或分解而不会残留残渣，同时又可以调节焊膏粘度，且能够提高焊接润湿性的助焊剂和焊膏。本发明所说的常温指环境温度为20℃～35℃。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及一种助焊剂，所述助焊剂用于与焊料粉末混合而生成焊膏，所述助焊剂中包含聚乳酸，所述聚乳酸的添加量满足：焊膏中的焊料粉末在常温环境下不发生沉降。
优选的，所述助焊剂中聚乳酸的重量百分比含量大于等于0.1％，小于2.0％。
优选的，所述聚乳酸为外消旋聚乳酸。
优选的，所述助焊剂还包含乙酸乙酯；用于溶解聚乳酸。
优选的，所述助焊剂中乙酸乙酯的重量百分比含量为20％～35％。
优选的，所述助焊剂还包括丁二酸、二甘醇、丙三醇、硬脂酸酰胺中的一种或几种。
本发明还涉及一种焊膏，所述焊膏包含前述的任意一种助焊剂和至少一种合金焊料粉末。
优选的，所述合金焊料粉末为具有中高焊接温度的合金焊料粉末。
优选的，所述助焊剂中的聚乳酸为改性聚乳酸；所述合金焊料粉末为具有低焊接温度的合金焊料粉末。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的助焊剂，可以防止焊料粉末颗粒的沉降，同时因焊接加热时能够发生蒸发或分解，无残渣残留，因此可以实现基板焊接后免清洗。
2、本发明的助焊剂，可以调节焊膏粘度，对于树脂涂布时可以获得更好的涂布和固化效果，涂布更均匀，固化更充分。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的助焊剂与焊料粉末混合而生成焊膏，所述助焊剂中包含一定量的聚乳酸，此聚乳酸作为可防止焊料粉末沉降的触变剂。本发明中优选易溶解的外消旋聚乳酸。助焊剂中由于聚乳酸的加入，防止了在常温坏境下焊膏中焊料粉末沉降的发生。
聚乳酸是一种热塑性脂肪族聚酯。聚乳酸可以通过各种方式快速降解，因此聚乳酸被认为是一种具备良好的使用性能的绿色塑料。其熔点为175～178℃，与结晶度有关，其沸点为230℃，但是在沸腾前聚乳酸已经发生分解，分解后很快蒸发。锡铅焊锡膏焊接温度为220～225℃之间，大部分无铅焊锡膏焊接温度在250℃以上，因此作为助焊剂中触变剂的聚乳酸沸腾前分解蒸发的特性正好符合减少助焊剂残渣残留的要求，在焊接加热过程中聚乳酸即被分解蒸发。
在焊接加热过程中，聚乳酸分解所需时间与聚乳酸的添加量有关。为达到焊接后助焊剂无残渣残留，聚乳酸分解所需时间与焊接时间应该匹配，因此聚乳酸的含量X优选为：0.1％≤X＜2.0％(重量)。
此外，对于本助焊剂，考虑到聚乳酸的分散性对焊料润湿性的影响，本发明的助焊剂优选包含对聚乳酸具有良好溶解性的助溶剂乙酸乙酯，乙酸乙酯有助于聚乳酸的分散，因此聚乳酸的添加既可以防止焊料粉末的沉降，又可以保持焊料良好的润湿性。本实施方式中乙酸乙酯的含量Y优选为：20％≤Y≤35％(重量)。
本发明的焊膏有以上所述的助焊剂和焊料粉末混合而成，使用本助焊剂配制的焊膏在焊接过程中，通过加热时进行惰性气体置换，可以实现良好的焊接性和无残渣残留。具体见以下各实施例。
实施例
分别按照以下表1、2、3、4所示的组成配制实施例1～5和对比例1～4的助焊剂，使用实施例和对比例的助焊剂来配制焊膏，从而比较聚乳酸添加的有无与防止焊料粉末沉降的关系及聚乳酸的添加对润湿性的影响。另外，对聚乳酸的添加量与残渣残留的关系、乙酸乙酯的含量与焊膏润湿性的关系以及聚乳酸与PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)分别作为焊膏添加剂的防止焊料粉末沉降性能及润湿性能进行了比较。
试验一：比较聚乳酸添加的有无与防止焊料粉末沉降的关系及聚乳酸的添加对润湿性的影响
按照以下表1所示的组成配制实施例1和对比例1、对比例2的助焊剂，并以焊料粉末达到90％(重量)的方式分别与表1中的三种助焊剂配制成焊膏，其中本实施例中的焊料粉末优选为Sn63Pb37，粒度为25～45μm。
表1
实施例1 对比例1 对比例2
丁二酸 10％ 10％ 10％
聚乳酸 0.10％ 无 0.10％
二甘醇 39.9％ 40.0％ 64.9％
丙三醇 15％ 15％ 15％
硬脂酸酰胺 10％ 10％ 10％
乙酸乙酯 25％ 25％ 无
本发明中，聚乳酸具有调节粘度和防止焊料粉末沉降的效果，其中防止焊料粉末沉降是其在本实施例中添加的主要目的。丁二酸，是作为活化剂和溶剂而添加。二甘醇和丙三醇是作为溶剂而添加。硬脂酸酰胺是作为粘度调节剂而添加。添加乙酸乙酯的目的是作为助溶剂帮助聚乳酸溶解。
试验方法
(1)防止焊料粉末沉降的确认
在30℃的环境下将焊膏放置24小时，确认焊料粉末的沉降度。
(2)焊接性能即润湿性的确认
将焊膏印刷供给至紫铜片上，焊膏样品为直径为5mm，高度为3mm的圆柱体，之后将带有焊膏的紫铜片置于220℃焊盘上加热30秒，而后将其取下冷却从而使焊膏凝固，利用目视确认助焊剂残渣的残留度和焊膏的铺展性。
试验结果
(1)防止焊料粉末沉降的确认
实施例1：未发现焊料粉末发生沉降。
比较例1：焊料粉末发生沉降，焊膏表面有一层助焊剂渗出。
比较例2：未发现焊料粉末发生沉降。
(2)焊接性能即润湿性的确认
实施例1：无残留助焊剂残渣。焊接表面饱满有光泽，焊点周围无锡珠，焊膏铺展的面积达到了105.8mm2。
对比例1：无残留助焊剂残渣。焊接表面光滑有光泽，焊点周围有不多于2个锡珠，铺展面积为91.6mm2。
对比例2：无残留助焊剂残渣。焊点形状光滑，光泽度一般，焊点周围不多于3个锡珠，铺展面积为81.7mm2。
由以上所示实施例1和对比例1的结果可以知道：通过聚乳酸的添加，可以达到常温下防止焊料粉末沉降的效果。另外，由实施例1和对比例2的结果可以知道：聚乳酸的添加不会阻碍焊膏的润湿性，进而不会阻碍焊接性。进一步地，由实施例1和对比例2的对比结果可以知道：助溶剂乙酸乙酯的添加提高了聚乳酸在体系中的稳定性，从而使焊膏的铺展性良好，焊接性进一步提高。
试验二：比较聚乳酸的含量X与残渣残留的关系
按照以下的表2所示的组成配制实施例2和对比例3的助焊剂，并以焊料粉末达到90％(重量)的方式分别与表2中的两种助焊剂配制成焊膏，其中本实施例中的焊料粉末优选为Sn63Pb37，粒度为25～45μm。
表2
实施例2 对比例3
丁二酸 10％ 10％
聚乳酸 1％ 2％
二甘醇 39％ 38％
丙三醇 15％ 15％
硬脂酸酰胺 10％ 10％
乙酸乙酯 25％ 25％
本发明中，聚乳酸具有调节粘度和防止焊料粉末沉降的效果，其中防止焊料粉末沉降是其在本实施例中添加的主要目的。丁二酸，是作为活化剂和溶剂而添加。二甘醇和丙三醇是作为溶剂而添加。硬脂酸酰胺是作为粘度调节剂而添加。添加乙酸乙酯的目的是作为助溶剂帮助聚乳酸溶解。
试验方法
(1)防止焊料粉末沉降的确认
在30℃的环境下将焊膏放置24小时，确认焊料粉末的沉降度。
(2)焊接性能即润湿性的确认
将焊膏印刷供给至紫铜片上，焊膏样品为直径为5mm，高度为3mm的圆柱体，之后将带有焊膏的紫铜片置于220℃焊盘上加热30秒，而后将其取下冷却从而使焊膏凝固，利用目视确认助焊剂残渣的残留度和焊膏的铺展性。
试验结果
(1)防止焊料粉末沉降的确认
实施例2：未发现焊料粉末发生沉降。
对比例3：未发现焊料粉末发生沉降。
(2)焊接性能即润湿性的确认
实施例2：无残留的助焊剂残渣。焊接表面饱满，焊点周围无锡珠，铺展的面积达到了102.0mm2。
对比例3：利用目视检测到白色的助焊剂残渣。焊接表面饱满，焊点周围无锡珠，铺展的面积达到了100.3mm2。其后，对试验紫铜片在220℃下进行80秒加热后，白色的助焊剂残渣消失。
由以上所示实施例1和实施例2的结果可以知道：通过聚乳酸的0.1％～1％(重量)左右含量的添加，可以达到常温下防止焊料粉末沉降的效果。另外，在一般回流炉的焊接时加热时间内无助焊剂残渣残留。与此相对，由对比例3的结果可以知道：添加2％(重量)及以上含量的聚乳酸时，虽然可以达到防止焊料粉末沉降的效果，但回流焊接时要达到无助焊剂残渣残留所需的焊接加热时间较长。在实际的基板制造过程中，从基板、设备的耐热性出发，出于不残留残渣的目的而延长焊接加热时间是不适宜的。
因此，由以上的结果可以知道：为了通过在助焊剂中添加聚乳酸来达到防止焊料粉末沉降的效果，同时满足在回流焊接时无助焊剂残渣残留，优选助焊剂中聚乳酸的含量X为：0.1％≤X＜2.0％(重量)。
试验三：比较乙酸乙酯的含量Y与焊膏润湿性的关系
按照以下表3所示的组成配制实施例3、实施例4的助焊剂，并以焊料粉末达到90％(重量)的方式分别与表3中的两种助焊剂配制成焊膏，其中本实施例中的焊料粉末优选为Sn63Pb37，粒度为25～45μm。
表3
实施例3 实施例4
丁二酸 10％ 10％
聚乳酸 0.10％ 0.10％
二甘醇 44.9％ 29.9％
丙三醇 15％ 15％
硬脂酸酰胺 10％ 10％
乙酸乙酯 20％ 35％
试验方法
(1)防止焊料粉末沉降的确认
在30℃的环境下将焊膏放置24小时，确认焊料粉末的沉降度。
(2)焊接性能即润湿性的确认
将焊膏印刷供给至紫铜片上，焊膏样品为直径为5mm，高度为3mm的圆柱体，之后将带有焊膏的紫铜片置于220℃焊盘上加热30秒，而后将其取下冷却从而使焊膏凝固，利用目视确认助焊剂残渣的残留度和焊膏的铺展性。
试验结果
(1)防止焊料粉末沉降的确认
实施例3：未发现焊料粉末发生沉降。
实施例4：未发现焊料粉末发生沉降。
(2)焊接性能即润湿性的确认
实施例3：无残留助焊剂残渣。焊接表面饱满，焊膏铺展的面积为97.8mm2。
实施例4：无残留助焊剂残渣。焊接表面饱满，焊膏铺展的面积为102.6mm2。
由以上所示实施例1和实施例3，实施例4的结果可以知道：通过乙酸乙酯的20％～35％(重量)含量的添加，可以达到常温下帮助聚乳酸溶解的效果，而且其湿润性仍保持良好。为使焊膏达到良好的铺展性，进而得到良好的焊接性，优选助焊剂中乙酸乙酯的含量Y为：20％≤Y≤35％(重量)。
作为焊料粉末的合金，优选焊接温度为中高温的合金组成，本实施例优选为：Sn63Pb37，但并不排除低温合金组成，通过对聚乳酸进行改性可以与低焊接温度合金焊料粉末配合形成具有相关性能的可用焊膏。
所述聚乳酸作为触变剂使用时可以很大程度抑制焊料粉末与助焊剂的分离，因而添加聚乳酸的助焊剂可以用于配制铜网印刷用焊膏，亦可用于配制针筒式焊膏用于点注工艺或者配制盒装焊膏用于喷射工艺。
本实施方式的助焊剂可以实现焊接后无助焊剂残渣残留，无需清洗基板，在进行树脂涂布时，降低对树脂涂布材料的要求，甚至无需进行相关树脂涂布材料的严格选型。另外，本实施方式的助焊剂对应的焊膏在焊接后的树脂涂布和固化过程中，不会阻碍树脂的固化，相比现有技术提高了树脂涂布的均匀性与可靠性。同时，可以免去焊接后对助焊剂残渣的清洗工序，使得焊接工序更加简单，节省物料成本和时间成本。
试验四：比较聚乳酸与PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)分别作为焊膏添加剂的防止焊料粉末沉降性能及润湿性能
按照以下表4所示的组成配制实施例5和对比例4的助焊剂，并以焊料粉末达到90％(重量)的方式分别与表4中的两种助焊剂配制成焊膏，其中本实施例中的焊料粉末优选为Sn63Pb37，粒度为25～45μm。
表4
实施例5 对比例4
丁二酸 10％ 10％
聚乳酸 1％ 无
PMMA 无 1％
二甘醇 39％ 39％
丙三醇 15％ 15％
硬脂酸酰胺 10％ 10％
乙酸乙酯 25％ 25％
本发明中，聚乳酸及PMMA具有调节粘度和防止焊料粉末沉降的效果。
试验方法
(1)防止焊料粉末沉降的确认
在30℃的环境下将焊膏放置24小时，确认焊料粉末的沉降度。
(2)焊接性能即润湿性的确认
将焊膏印刷供给至紫铜片上，焊膏样品为直径为5mm，高度为3mm的圆柱体，之后将带有焊膏的紫铜片置于220℃焊盘上加热30秒，而后将其取下冷却从而使焊膏凝固，利用目视确认助焊剂残渣的残留度和焊膏的铺展性。
试验结果
(1)防止焊料粉末沉降的确认
实施例5：未发现焊料粉末发生沉降。
对比例4：未发现焊料粉末发生沉降。
(2)焊接性能即润湿性的确认
实施例5：无残留的助焊剂残渣。焊接表面饱满，焊点周围无锡珠，铺展的面积为102.0mm2。
对比例4：轻微残留助焊剂残渣。焊接表面饱满，焊点周围无锡珠，铺展的面积为98.5mm2。
由以上所示实施例5和对比例4的结果可以知道：虽然聚乳酸和PMMA的添加均可以达到常温下防止焊料粉末沉降的效果，但是聚乳酸的添加相比较于PMMA的添加，助焊剂残渣的残留量更低，更能够满足免洗条件；譬如更短焊接时间情况下无残渣，减少对元器件热冲击，以达到保护元器件的目的。
聚乳酸是一种热塑性脂肪族聚酯，可以通过各种方式快速降解，其熔点为175～178℃，其沸点为230℃，但是在沸腾前聚乳酸已经发生分解。锡铅焊锡膏焊接温度为220～225℃之间，大部分无铅焊锡膏焊接温度在250℃以上，因此作为助焊剂中触变剂的聚乳酸沸腾前分解蒸发的特性正好符合减少助焊剂残渣残留的要求，在焊接加热过程中聚乳酸即被分解蒸发。相较于具有类似防沉降作用的聚甲基丙烯酸烷基酯，聚乳酸分解更完全，可以在更短的焊接时间来保证其无残渣残留，从而防止产品元器件受到过大热冲击。
需要说明的是，对于以上实施例仅为优选实施例，但本发明的并不仅限于以上实施例。例如：活性剂、溶剂等组分的选取及其含量并不限于以上实施例，还可以选取与活性剂、溶剂等组分具有相同功能的其它物质。此外，对于不要求无残渣残留的助焊剂，聚乳酸的含量X可以不限于0.1％≤X＜2.0％(重量)，此时聚乳酸仍兼具调节粘度和防止焊料粉末沉降的作用。

Claims (9)

1.一种助焊剂，所述助焊剂用于与焊料粉末混合而生成焊膏，其特征在于，所述助焊剂中包含作为触变剂的聚乳酸，所述聚乳酸的添加量满足：焊膏中的焊料粉末在常温环境下不发生沉降。
2.如权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，所述助焊剂中聚乳酸的重量百分比含量大于等于0.1％且小于2.0％。
3.如权利要求1或2所述的助焊剂，其特征在于，所述聚乳酸为外消旋聚乳酸。
4.如权利要求1或2所述的助焊剂，其特征在于，所述助焊剂还包含乙酸乙酯。
5.如权利要求4所述的助焊剂，其特征在于，所述助焊剂中乙酸乙酯的重量百分比含量为20％～35％。
6.如权利要求4所述的助焊剂，其特征在于，所述助焊剂还包括丁二酸、二甘醇、丙三醇、硬脂酸酰胺中的一种或几种。
7.一种焊膏，其特征在于，所述焊膏包含权利要求1～6中任一项所述的助焊剂和至少一种合金焊料粉末。
8.如权利要求7所述的焊膏，其特征在于，所述合金焊料粉末为具有中高焊接温度的合金焊料粉末。
9.如权利要求7所述的焊膏，其特征在于，所述助焊剂中的聚乳酸为改性聚乳酸；所述合金焊料粉末为具有低焊接温度的合金焊料粉末。
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