CN1153649C - 用于焊锡膏的焊剂组合物 - Google Patents
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Abstract
在一种用于焊锡膏的焊剂组合物，其含有松香型树脂、活化剂和蜡，一部分松香型树脂被乙氧基含量为46-50重量%的乙基纤维素替代。一种用含有焊剂组合物的焊锡膏焊接的组件电极部分被焊剂残渣覆盖。因此，可以消除过去发生的由于存在露珠或者附着灰尘引起的可靠性的下降。
Description
本发明涉及一种用于焊锡膏的焊剂组合物，当将电子器件等装配在印刷线路板上时该组合物用于焊接。本发明还涉及用含有该焊剂组合物的焊锡膏形成的封装衬底。和在其上安装封装衬底的控制器。
通过混合焊锡粉和焊剂组合物而制备的焊锡膏已经广泛地用于将电子器件焊接到印刷线路板上。
用于焊锡膏的焊剂组合物包括作为主要成份的松香型树脂，且是通过下列方法制备的：加入用于提高活力的活化剂例如胺-氢卤化物或者有机酸，和用于使组合物变成糊状的蜡，然后在沸点为200-300℃的溶剂中将它加热溶解，并将该组合物冷却成糊状形式。
焊接剂的重熔方法已经广泛地用于将电子器件封装到印刷线路板上。此焊接剂重熔方法包括下列步骤：将焊锡膏涂抹到印刷线路板的导体上，或电子器件的导线上或两者上，安装电子器件，然后熔融焊锡膏确保连接。
在这种情况下，在清除导体表面上的氧化物和促进其与焊接剂的湿润性上焊剂组合物不可缺少的。当单独使用松香型树脂时，活力是较低，且不能充分地完成预定的操作。因此，加入上述活化剂。然而，当加入活化剂时，在焊接以后，由于焊剂残渣和衬底之间发生络合物形成反应，导致导体腐蚀不可避免。为了防止耐绝缘性下降、和由焊剂残渣引起腐蚀，可以用氟利昂型清洁剂洗掉焊剂残渣。
然而，近年来，随着环境污染意识的增强，为了保护环境已经限制氟利昂的使用。因此，近期趋势是不洗掉焊剂残渣，所以在印刷线路板上保留的焊剂残渣更加需要高可靠性。
在高湿度下耐绝缘性方面或通过迁移试验已评估了在印刷线路板上保留的焊剂残渣的可靠性，但是几乎所有的试验都是在自动调温器和恒湿器条件下进行的。尽管如此，最现行的电子器械，特别是汽车的控制装置和用于这种器械和装置的印刷线路板总是经受温度和湿度的猛烈变化，且在极个别情况下，露珠出现在电极部分或者灰尘粘附在其上，由此降低了可靠性。
本发明的一个目的是提供一种用于焊锡膏的焊剂组合物，其与用于焊锡膏的传统焊剂组合物相比不会使可焊性变坏，在焊接以后允许焊剂残渣保留在印刷线路板上并覆盖焊接组分的电极部分，以及不会招致由于温度变化出现的露珠和灰尘的附着而引起的可靠性下降。
作为寻找解决上述问题的方法的研究结果，本发明的发明人发现当将乙基纤维素加入到组合物中时可以达到上所目的，该乙基纤维素与作为用于焊锡膏的焊剂组合物主要成份的松香型树脂之间具有混溶性，且通过焊接重熔方法焊接之后产生下列效果：允许焊剂残渣覆盖连焊接线角在内的组件电极。因此发明人完成了本发明。
本发明一方面提供了一种用于焊锡膏的焊剂组合物，其含有松香型树脂、活化剂、溶剂和蜡，其特征在于含有乙氧基含量为46-50重量％的乙基纤维素，该乙基纤维素的含量为基于100重量％的所述焊剂组合物的0.2-5重量％。优选所述焊剂组合物还含有防裂剂。
本发明另一方面提供了一种焊锡膏，它含有焊锡粉和上述焊剂组合物。
本发明另一方面提供了一种用上述的焊锡膏涂覆的封装衬底。
本发明另一方面提供了一种汽车控制器，其具有安装在其上的上述封装衬底。
用含本发明焊剂组合物的焊锡膏焊接的组件的电极部分被焊剂残渣覆盖。因此，可以消除过去已经观察到的由于存在露珠或者附着灰尘引起的可靠性下降。
图1是用传统的焊锡膏进行焊接时焊接粘合部分的部分剖面图；和
图2是用含有本发明焊剂组合物的焊锡膏进行焊接时焊接粘合部分的部分剖面图。
用于焊锡膏的焊剂组合物通常含有作为主要成份的松香型树脂例如松香树胶、歧化松香、聚合松香等。组合物还含有作为活化剂的盐例如己胺-溴化氢盐、二丁氨-溴化氢盐、三丁胺-溴化氢盐，有机酸例如辛酸、己二酸等用于提高活力，以及蜡例如硬化的蓖麻油和高级脂肪酸酰胺使其组合物变为糊状。将组合物溶于沸点为200-300℃范围内的溶剂例如二甘醇一丁醚或者二甘醇一己醚中。在上述组分中，本发明用于焊锡膏的焊剂组合物使用乙基纤维素代替一部分作为主要成份的松香型树脂，且焊剂组合物含有预定数量的乙基纤维素。
用乙氧基(-OC2H5)替换作为组成单元的葡萄糖单元中的三个-OH基团来制备乙基纤维素。本发明使用每个葡萄糖单元含有2.30-2.60乙氧基类型的乙基纤维素。当其转换为乙氧基含量时，此数量相当于46-50重量％。
图1表示使用传统的焊锡膏进行焊接时的焊接表面。在图1中，参考数1代表印刷线路板，参考数2代表导体，参考数3代表焊剂残渣，参考数4代表焊接线角部分，参考数5代表电子元件，而参考数6代表电极部分。如图1所示当使用传统的焊锡膏进行焊接时，重熔之后的焊剂残渣3几乎不保留在焊接线角部分4的表面上或者残留稀少。因此，焊接线角部分4或者焊接电子元件5的电极部分6与大气直接接触，由此招致露珠或者附着灰尘，以及最终可靠性的下降。
如上所述乙氧基含量为46-50重量％的本发明乙基纤维素充分地溶解在焊锡膏的焊剂组合物通常使用的溶剂中，与作为主要成份的松香型树脂充分地混溶，并赋予弹性，并在金属表面的薄膜成形性方面是极好的。因此，当使用含有这种乙基纤维素的焊剂组合物进行焊接时，如图2所示焊接重熔之后的焊剂残渣3覆盖焊接线角部分4的整个表面，从而阻止与大气的接触。因此，有可能防止在电极部分出现露珠和附着灰尘，从而获得高可靠性。
通过将碱纤维素与氯乙烷反应可以生产所述乙基纤维素，或者在市场上可买到该乙基纤维素。工业用的乙基纤维素的例子包括乙基纤维素K型、N型和T型(Hercules公司的产品)。
在本发明用于焊锡膏的焊剂组合物中，乙氧基含量为46-50重量％的乙基钎维素的含量优选为0.2-5重量％(基于100重量％的焊剂组合物)。当此含量小于0.2重量％时，难以达到本发明的效果：即用焊接重熔之后的焊剂残渣覆盖焊接线角部分。当含量超过5重量％时，焊剂组合物本身的粘度变得相当高，以致于在通过焊剂重熔工艺中印刷供给焊剂期间焊锡膏到衬底的可印刷性下降。当含量大于5重量％时，在焊剂组合物中其它组分的含量，特别是松香型树脂的含量也相对地下降，所以不能显示出焊剂组合物的效果。
当乙基纤维素中乙氧基含量小于46重量％时，必须加入更大数量超过5重量％的乙基钎维素，以便达到上述的效果。然而，在这种情况下，会产生上述的问题。另一方面，当乙基纤维素中乙氧基的含量超过50重量％时，在焊剂组合物中溶解乙基纤维素变得困难。
在本发明焊剂组合物中，对除了乙基纤维素之外其它组分没有特别限制。因此，可以使用过去已经在用于焊锡膏的焊剂组合物中使用的松香型树脂、活化剂、蜡、溶剂等物质。
不仅可以使用上述的松香树胶、歧化松香和聚合松香，而且可以使用松香酯、马来酸改性松香等。该松香型树脂的含量优选为10-60重量％(基于100重量％的焊剂组合物)。
活化剂的例子包括胺类的盐酸盐和/或氢溴化物，胺例如二乙胺、三乙胺、丙胺、二丙胺、三丙胺、丁胺、二丁胺、三丁胺、己胺、辛胺、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、环己胺、甲基环己胺、二甲基环己胺等，和羧酸型活化剂例如琥珀酸、戊二酸、己二酸、癸二酸等等。活化剂的含量优选为0.1-10重量％(基于100重量％的焊剂组合物)。
硬化蓖麻油、高级脂肪酸酰胺、甘油酯等可以作为蜡使用。蜡的含量优选为1-15重量％(基于100重量％的焊剂组合物)。
二甘醇一丁醚、二甘醇一己醚、三甘醇一丁醚等可以作为溶剂使用。溶剂的含量优选为20-80重量％(基于100重量％的焊剂组合物)。
除这些通常使用的组分之外，可以加入不同的添加剂。特别优选加入防裂剂以防止焊接之后保留在印刷线路板上的焊剂残渣出现裂纹。这种防裂剂的例子包括分子量为1000-3000的无规立构的1，2-聚丁二烯、在前者不饱和键部分中加入氢制备的聚丁二烯、在前者的一端或者两端具有羟基或者羧基的聚丁二烯、以及软化点为90-150℃的聚酰胺树脂。当加入时，这些防裂剂给予松香型树脂合适的弹性，从而最后防止裂纹的出现。
当本发明的焊剂组合物与焊锡粉混合时，可以获得焊锡膏。这些焊锡粉可以是球状的或者无定形的。对焊接合金组合物也没有特别限制，可以使用Sn-Pb型合金、Sn-Pb-Bi型合金、Sn-Pb-Ag型合金等等。对在这些焊锡膏中焊剂组合物的含量没有特别限制，且优选为7-15重量％。
在使用含有本发明焊剂组合物的焊锡膏将电子器件固定在印刷线路板上的封装衬底中，用焊剂残渣覆盖焊接线角表面。因此，即使发生温度变化和水分变化时在焊接线角面上也不会出现露珠。因为灰尘不会直接粘附到焊接线角面上，所以也不会发生绝缘缺陷。因此，此封装衬底特别适合于暴露于苛刻环境中的汽车控制装置，例如电子燃料喷射控制器和气囊控制器。
接下来参考实施例和比较例更详细地解释本发明。
实施例1-4：
将松香组分例如松香树胶、歧化松香或者聚合松香和乙基纤维素(1)或者乙基纤维素(2)按照表1所示的混合料组成加入到500毫升不锈钢烧杯中。在实施例3和4中，加入作为防裂剂的氢化聚丁二烯2000，然后再加入作为溶剂的二甘醇一丁醚。将每种组合物加热到150℃并溶解。其次，加入作为活化剂的己二酸和苯基胍氢溴化物(DPG.HBr)和作为蜡的N，N-亚乙基双硬脂酰胺，然后搅拌和溶解。然后停止加热。在这种情况下，如果发生二甘醇一丁醚蒸发，那么补充该蒸发量。立即冷却该混合物，冷却后加入焊锡粉，然后充分地搅拌和混合产生焊锡膏。在此使用的乙基纤维素(1)是Hercules公司的产品：乙氧基含量为46.1-47.2％的乙基纤维素K-100。乙基纤维素(2)是Hercules公司的产品：乙氧基含量为48.0-49.5％的乙基纤维素N-200。将氢加入到分子量为2000的无规立构的1，2-聚丁二烯的不饱和键部分制备氢化聚丁二烯。它是GI-2000(商品名)，Nippon Soda K.K的产品。焊锡粉为锡-铅低共熔焊料，且含有至少90％的粒径为20-40μm的粉未。
对比例1和2：
除了没有使用乙基纤维素外，用和实施例1-4一样的方法按照表1所示的混合料组成生产焊锡膏。
表1
| 组份 | 实施例 | 对比例 | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | |
| 松香树胶 | 19 | - | 14 | - | 20 | - |
| 歧化松香 | 19 | 15 | 14 | 14 | 20 | 15 |
| 聚合松香 | 15 | 19 | 15 | 15 | 15 | 20 |
| 氢化聚丁二烯 | - | - | 10 | 5 | - | - |
| 乙基纤维素(1) | 2 | 1 | - | - | - | - |
| 乙基纤维素(2) | - | - | 1.5 | 0.8 | - | - |
| 己二酸 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| DPG.HBr | 1.5 | 0.3 | 1.5 | 0.3 | 1.5 | 0.3 |
| N，N-亚乙基双硬脂酰胺 | 5 | 6 | 5 | 6 | 5 | 6 |
| 二甘醇一丁醚 | 37.5 | 57.5 | 38.0 | 57.9 | 37.5 | 57.7 |
| 焊锡粉 | 900 | 900 | 900 | 900 | 900 | 900 |
按照下列试验方法对由实施例1-4和对比例1和2获得的焊锡膏进行试验。
(1)润湿效果和脱湿(de-wetting)试验：
按照日本工业标准JIS Z 3284进行测量。铜版被用作试验板。将金属掩膜放在表面用异丙醇洗过的试验板上。用这种方式浍覆每种焊锡膏，以便完全封闭金属掩膜孔。除去金属掩膜之后，在水平位置加热试验板。五秒钟以后，停止加热，并且在水平位置进行冷却直到焊接固化来检查膨胀度。膨胀度被分为下列几种情况：
1：焊锡膏中的焊剂熔化并润湿试验板和膨胀超出该膏作用区域的情况；
2：焊接剂润湿涂覆焊锡膏的整个区域的情况；
3：焊接剂润湿用焊锡膏涂覆的大部分区域的情况；和
4：试验板没有被焊接剂润湿，且熔化的焊料形成单个焊球或者多个焊球。
在此试验中，由实施例1-4和对比例1和2获得的所有的焊锡膏显示出1级的结果。换句话说，即使加入乙基纤维素，焊锡膏的焊接性能也没有变坏。
(2)焊剂残渣到焊剂残渣的覆盖度：
将实施例1-4和对比例1和2中获得的每个焊锡膏印刷(印刷厚度为150μm)在能装备100个大小为3.1×1.6毫米的芯片组件和100个大小为2×1.25毫米的芯片组件的印刷衬底上。安装芯片组件之后，进行重熔焊接，并检查在组件电极部分焊剂残渣对焊接线角面的覆盖情况。重熔情况包含在150-160℃下预热60-80秒钟，和主要在200℃或200℃以上加热30秒钟，而加热系统使用热空气与远红外混合加热。
按照下列标准将焊剂残渣在焊接剂线角面的覆盖度分为：
O：组件电极部分的整个焊接剂线角面被焊剂残渣覆盖；
X：组件电极部分上存在一部分焊接剂线角面没有被焊剂残渣覆盖。
在此试验中，实施例1-4的焊锡膏显示出O的焊剂覆盖度，但是当使用对比例1和2的焊锡膏时，焊剂覆盖度为X。换句话说，当加入乙基纤维素时，它给予焊接剂线角面上焊剂残渣的覆盖性。
(3)低温覆盖试验：
将实施例1-4和对比例1和2中获得的每一种焊锡膏印刷(印刷厚度为100μm)在JIS Z 3197规定的comb形电极2重叠边缘部分的铜箔表面上。然后在与试验方法(2)相同条件下进行重熔获得每种试件。将其留在-20℃的冷藏库中持续一夜之后拿出。三分钟以后，在各个电极部分施加直流电100以伏测量耐绝缘性并检查由于露珠而引起的耐绝缘性的下降。结果列于下列表2中。
表2
| 在低温处理前 | 在低温处理后 | |
| 实施例1 | 5.5×1013 | 5.9×1011 |
| 实施例2 | 7.0×1013 | 8.3×1011 |
| 实施例3 | 8.8×1013 | 6.6×1011 |
| 实施例4 | 7.6×1013 | 7.1×1011 |
| 对比例1 | 3.5×1013 | 5.7×107 |
| 对比例2 | 2.8×1013 | 7.8×108 |
*单位：Ω
很清楚：当加入乙基纤维素时，在线角面上形成焊剂残渣薄膜，因此露珠不会直接粘附在焊接剂线角面上，限制了耐绝缘性下降，从而可以排除可靠性的下降。
Claims (5)
1.一种用于焊锡膏的焊剂组合物，其含有松香型树脂、活化剂、溶剂和蜡，其特征在于含有乙氧基含量为46-50重量％的乙基纤维素，该乙基纤维素的含量为基于100重量％的所述焊剂组合物的0.2-5重量％。
2.根据权利要求1的焊剂组合物，其中还含有防裂剂。
3.一种焊锡膏，含有焊锡粉和权利要求1或2所说的焊剂组合物。
4.一种用权利要求3所说的焊锡膏涂覆的封装衬底。
5.一种汽车控制器，其具有安装在其上的如权利要求4所说的封装衬底。
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