CN116618778B - 一种高效助焊剂的焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效助焊剂的焊接工艺，包括以下步骤：S1、将焊接元件插入PCB板中；S2、将高效助焊剂倒入波峰焊焊剂罐中，预喷助焊剂直至连续均匀喷出为止；S3、设置波峰焊中的焊接参数；S4、将插好焊接元件的PCB板放置于传送带上，自动进行喷涂助焊剂、预热、波峰焊和冷却的过程。其中，高效助焊剂按重量份计包括以下组分原料：氢化松香5‑15份；富马松香5‑15份；有机酸类活化剂3‑6份；表面活性剂0.5‑2份；成膜助剂2‑5份；其它助剂2‑5份；溶剂85‑100份。本发明工艺配合高效助焊剂，在波峰焊完成后得到的PCB板十分干净，干燥过程快，干燥后不粘手，也未发生短路现象，观察焊接后的焊点，其形状饱满无凹陷，颜色光亮，成形性好。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种高效助焊剂的焊接工艺。
背景技术
近年来,随着无卤助焊剂的问世,从大量的电子产品调测和使用的过程中发现,由于焊接不良而造成的故障高达5％。目前有部分国产电子元器件可焊性差，助焊剂的综合性能也不高，虽引进了性能较好的双波峰焊机，但由于国产元件锡焊合格率低，形成大量的补焊，不仅造成金、银贵重金属和人力的浪费，而且影响了电子产品的质量和产量的提高。
因此，要提高电子产品的质量和产量，必须控制焊接工艺中的每一个步骤，严格控制所有操作参数，选择助焊能力强、腐蚀性小、无毒的高效助焊剂。
发明内容
基于背景技术存在的问题，本发明提供了一种高效助焊剂的焊接工艺，搭配本发明高效助焊剂，不仅获得最佳焊接效果，而且焊接后几乎无残留，焊点表面光滑圆润，耐氧化性强。
本发明通过以下技术方案实施：
一种高效助焊剂的焊接工艺，包括以下步骤：
S1、将焊接元件插入PCB板中；
S2、将高效助焊剂倒入波峰焊焊剂罐中，预喷助焊剂直至连续均匀喷出为止；
S3、设置波峰焊中的焊接参数；
S4、将插好焊接元件的PCB板放置于传送带上，自动进行喷涂助焊剂、预热、波峰焊和冷却的过程。
进一步地，S2中高效助焊剂按重量份计包括以下组分原料：
氢化松香5-15份；
富马松香5-15份；
有机酸类活化剂3-6份；
表面活性剂0.5-2份；
成膜助剂2-5份；
其它助剂2-5份；
溶剂85-100份。
进一步地，氢化松香和富马松香的质量比为1：(0.5-1.5)。
氢化松香抗氧化性和抗结晶性能优异，可以使得助焊剂成分稳定，且具备不粘的特性，但氢化松香热稳定性差，使用时烟雾较多，会产生轻微黑色残留。富马松香具备高酸值能够在焊接稳定下更好的消除金属表面的氧化膜，用于助焊剂中得到的焊点表面光亮无凹陷，成形性好。将氢化松香和富马松香复配，可以提高助焊剂的热稳定性和干燥性，提高助焊剂的活性。
进一步地，有机酸类活化剂为丙二酸、戊二酸和辛二酸混合物，其中，丙二酸、戊二酸和辛二酸的质量比为1：(1-3)：(1-3)。
相较于单一有机酸只能在其分解温度下发挥活性，本发明中采用三种有机酸进行复配，有机酸活性剂的温度区间覆盖更广，丙二酸在低温区发挥活性，戊二酸和辛二酸在中高温发挥活性，形成了合理的温梯度，提高了助焊剂的助焊效果。
进一步地，表面活性剂为OP-5、OP-7、OP-10或BYK333中的一种。
进一步地，成膜助剂为2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯。
进一步地，其它助剂包含苯并三氮唑、三乙醇胺和三苯基氧化膦，其中，苯并三氮唑、三乙醇胺和三苯基氧化膦的质量比为(0.3-0.8)：(1-2)：(0.5-1)。
本发明中，合理配制苯并三氮唑、三乙醇胺和三苯基氧化膦的组分，使其协同作用，有效减缓助焊剂的腐蚀性；同时，可以提升助焊剂的扩展性，提高焊接点的抗氧化性。
进一步地，溶剂为乙醇、二乙二醇丁醚和苯氧乙醇混合溶剂，其中乙醇、二乙二醇丁醚和苯氧乙醇的质量比为(2-4)：(2-4)：1。
乙醇作为常见的有机溶剂，可以有效溶解本发明中助焊剂的各组分，但乙醇沸点低，粘度小，不适用于高温焊接，因此本发明中复配了二乙二醇丁醚，二乙二醇丁醚沸点高且可以在焊接过程中完全挥发，充当乙醇的补充溶剂，同时二乙二醇丁醚可以减少焊接面表面张力，提高助焊剂的润湿效果。苯氧乙醇具备高沸点高粘度的特性，可以中和助焊剂的粘度，提升助焊剂的扩展性，但用量过多会产生残留，因此苯氧乙醇用量要控制在合理范围内。本发明中使用不同沸点的溶剂，有着不同的挥发温度梯度，有利于在不同温度下保护焊料，防止二次氧化。
进一步地，高效助焊剂通过以下方法制备：
a、根据高效助焊剂配方称取各组分；
b、将溶剂各组分置于带搅拌装置的容器中，搅拌均匀，然后加入表面活性剂，搅拌10-15min，加入氢化松香、富马松香、有机酸类活化剂、表面活性剂、成膜助剂和其它助剂，继续搅拌，经均匀度自动检测系统检测合格后，即得高效助焊剂。
进一步地，均匀度自动检测系统包括发射接受模块、运算模块、控制模块；
其中，发射接收模块包含4个超声波双探头，安装在搅拌容器不同位置；
运算模块对超声波探头的回波幅值进行分析，以此来判断助焊剂的均匀度；
控制模块根据运算模块的计算结果来控制搅拌器的工作状态。
当在同一工况条件下时，随着助焊剂密度的变化，探头接收到的回波幅值也会产生相应变化，在超声波初始幅值和传播距离固定的情况下，接收到的回波幅值与助焊剂密度密切相关，其均匀度指数Q计算如下:
其中Ji为个探头接收到的回波幅值，设定Q的阈值为K，当探头开始工作后，计算所得Q值大于设定阈值K时，系统认为搅拌不均匀，控制模块控制搅拌器继续工作，当计算所得Q值小于设定阈值K时，系统认为搅拌均匀，控制模块控制搅拌器停止工作。
进一步地，S3中焊接参数包括：高效助焊剂用量220-390μg/cm2；
预热温度PCB板面75-110℃，板下比板面高0-25℃；
传送带角度5°-7°，传送带角度参考水平面，起始端低，终端高；
传送带速度1.0-2.0m/min；
焊料接触时间2-6s；
升温速率1-2℃/s；
锡炉温度240-270℃。
本发明的有益效果：
(1)本发明焊接工艺中使用了自制高效助焊剂，在波峰焊完成后得到的PCB板十分干净，干燥过程快，干燥后不粘手，也未发生短路现象，观察焊接后的焊点，其形状饱满无凹陷，颜色光亮，成形性好。
(2)本发明中高效助焊剂通过对各组分合理复配，以及设置适宜的比例，各组分之间协同作用，使得助焊剂具有良好的物理稳定性和较佳的扩展性，用于波峰焊接时有助于焊料的扩展，提升助焊剂的助焊效果，得到的焊点光滑圆润，PCB板上干净整洁几乎无残留，焊点的抗氧化性强，提升了电子器件的使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详述，但本发明的保护范围并不仅限于以下实施例。
本发明实施例和对比例所用的原料如下：
富马松香：将松香加入反应容器中，反应容器置于油浴锅中，加热至松香完全融化，加入富马酸，富马酸与松香的质量比为0.3：1，加热至190℃，搅拌反应2.5h，趁热倒入预先准备的容器中，冷却至室温，即得富马松香。
成膜助剂：2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯
本发明实施例以及对比例高效助焊剂原料用量配比如表1、2所示，其中，加入的量均以重量份数计。
表1实施例制备高效助焊剂的原料用量配比
表2对比例制备助焊剂的原料用量配比
高效助焊剂通过以下方法制备：
a、根据高效助焊剂配方称取各组分；
b、将溶剂各组分置于带搅拌装置的容器中，搅拌均匀，然后加入表面活性剂，搅拌15min，加入松香、有机酸类活化剂、表面活性剂、成膜助剂和其它助剂，继续搅拌，经均匀度自动检测系统检测合格后，即得高效助焊剂。
实施例4
一种高效助焊剂的焊接工艺，包括以下步骤：
S1、将焊接元件插入PCB板中；
S2、将高效助焊剂倒入波峰焊焊剂罐中，预喷助焊剂直至连续均匀喷出为止；
S3、设置波峰焊中的焊接参数，具体如下：
高效助焊剂用量280μg/cm2；
预热温度PCB板面90℃，板下比板面高110℃；
传送带角度5°，传送带角度参考水平面，起始端低，终端高；
传送带速度1.5m/min；
焊料接触时间5s；
升温速率2℃/s；
锡炉温度260℃；
S4、将插好焊接元件的PCB板放置于传送带上，自动进行喷涂助焊剂、预热、波峰焊和冷却的过程。
试验例1
助焊剂性能测试
根据GB/T9491-2021对实施例1-3以及对比例1-8中制得的助焊剂进行物理稳定性、扩展率、干燥度、铜镜腐蚀进行检测，检测结果表3所示。
表3助焊剂性能测试结果
从表3数据可以看出，本发明实施例1-3中制得的高效助焊剂物理稳定性、扩展率、干燥度、铜镜腐蚀均表现优异。
试验例2
将本发明实施例1-3以及对比例1-8中的助焊剂用于实施例4中的焊接工艺，得到焊接后的PCB板，对PCB板上的焊点进行观察，并对焊点的抗氧化性进行检测(在85℃、湿度85％的条件下老化处理96-120小时，观察处理后焊点表面有无明显的氧化黑斑)，具体结果如表4所示。
表4焊接后助焊剂性能检测结果
| 组别 | 可焊性 | 焊点形貌 | 焊后残留 | 抗氧化性 |
| 实施例1 | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 实施例2 | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 实施例3 | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 对比例1 | ○ | △ | △ | △ |
| 对比例2 | ○ | △ | ○ | △ |
| 对比例3 | ○ | △ | ○ | ○ |
| 对比例4 | ○ | △ | △ | ○ |
| 对比例5 | ○ | △ | ○ | ○ |
| 对比例6 | △ | ╳ | △ | △ |
| 对比例7 | ○ | △ | ○ | ○ |
| 对比例8 | △ | ╳ | ○ | △ |
表中判定基准如下：
可焊性
○：焊接效果优，无漏焊；△：焊接效果一般，有轻微漏焊；╳：焊接效果差，出现明显漏焊。
焊点形貌
○：焊点光滑，无明显回缩；△：焊点表面凹凸，出现回缩；╳：焊点拉尖、表面凹凸，出现回缩。
焊后残留
○：焊后几乎无残留；△：焊后有残留；╳：焊后较多残留。
抗氧化性
○：未出现黑斑；△：出现少量黑斑；╳：出现明显黑斑。
结合表3和表4的结果可以看出，本发明实施例1-3中制备得到的高效助焊剂用于焊接工艺得到的PCB板其可焊性高、几乎无残留，焊点光滑，无明显回缩，抗氧化性高。对比例1和2中使用单一松香制备助焊剂，氢化松香软化点低，富马松香酸度值过高，用于焊接工艺，得到的焊点表面明显凹凸。对比例3和4中调整了有机类活化剂的组分及用量，发现不添加戊二酸制备的助焊剂用于焊接工艺，焊点表面有凹凸，对比例4中增加有机酸类活性剂(戊二酸和辛二酸)用量，有机酸类活性物质过剩会对焊点产生腐蚀，导致焊后有残留且焊点表面凹凸。对比例5中未添加三苯基氧化膦，降低了助焊剂的扩展率，用于焊接工艺，得到的焊点表面凹凸，铜镜腐蚀实验结果表明有轻微腐蚀。对比例6-8对助焊剂中溶剂配方进行调整，对比例6中使用单一乙醇作为溶剂，其挥发过快，使得有效成分润湿能力差，不能去除焊接面表面的氧化物，得到的焊点拉尖，且出现明显漏焊现象。对比例7中使用复配溶剂即乙醇和二乙二醇丁醚，二乙二醇丁醚可以减小焊接面的表面张力，增加润湿作用，且二乙二醇丁醚的沸点高于乙醇在焊接过程中可以完全挥发，但使用该溶剂制备的助焊剂用于焊接工艺，最终PCB板上的焊点还是存在表面凹凸的现象。对比例8中复配乙醇和苯氧乙醇作为溶剂，苯氧乙醇可以提升助焊剂的扩展率，但其沸点高粘性大，添加过多会导致残留，因此复配的乙醇和苯氧乙醇中以乙醇为主，同对比例6中一样，乙醇容易挥发，降低了有效成分的润湿能力，因此，也出现了漏焊现象，得到的焊点拉尖。
实施例5
在助焊剂的制备过程中，均匀度自动检测系统包括发射接受模块、运算模块、控制模块；
其中，发射接收模块包含4个超声波双探头，安装在搅拌容器不同位置；
运算模块对超声波探头的回波幅值进行分析，以此来判断助焊剂的均匀度；
控制模块根据运算模块的计算结果来控制搅拌器的工作状态。
当在同一工况条件下时，随着助焊剂密度的变化，探头接收到的回波幅值也会产生相应变化，在超声波初始幅值和传播距离固定的情况下，接收到的回波幅值与助焊剂密度密切相关，其均匀度指数Q计算如下:
其中Ji为个探头接收到的回波幅值，设定Q的阈值为K，当探头开始工作后，计算所得Q值大于设定阈值K时，系统认为搅拌不均匀，控制模块控制搅拌器继续工作，当计算所得Q值小于设定阈值K时，系统认为搅拌均匀，控制模块控制搅拌器停止工作。
上述发明有益效果：本发明中均匀度自动检测通过探头接收到的回波幅值的变化，监测助焊剂的均匀度，通过控制模块控制搅拌是否进一步地进行，实现了搅拌自动化控制，避免了搅拌时间过短，助焊剂混合不均匀，用于焊接工艺不能完全发挥其焊接效果，也避免了搅拌时间过长，资源浪费。
最后应说明的是：以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，并不用以限制本发明创造，对于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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种高效助焊剂的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将焊接元件插入PCB板中；
S2、将高效助焊剂倒入波峰焊焊剂罐中，预喷助焊剂直至连续均匀喷出为止；
S3、设置波峰焊中的焊接参数；
S4、将插好焊接元件的PCB板放置于传送带上，自动进行喷涂助焊剂、预热、波峰焊和冷却的过程；
S2中高效助焊剂按重量份计由以下组分原料组成：氢化松香5-15份、富马松香5-15份、有机酸类活化剂3-6份、表面活性剂0.5-2份、成膜助剂2-5份、其它助剂2-5份、溶剂85-100份；
其中，氢化松香和富马松香的质量比为1：（0.5-1.5）；
有机酸类活化剂为丙二酸、戊二酸和辛二酸混合物，其中，丙二酸、戊二酸和辛二酸的质量比为1：（1-3）：（1-3）；
其它助剂包含苯并三氮唑、三乙醇胺和三苯基氧化膦，其中，苯并三氮唑、三乙醇胺和三苯基氧化膦的质量比为（0.3-0.8）：（1-2）：（0.5-1）；
溶剂为乙醇、二乙二醇丁醚和苯氧乙醇混合溶剂，其中乙醇、二乙二醇丁醚和苯氧乙醇的质量比为（2-4）：（2-4）：1；
S3中焊接参数包括：高效助焊剂用量220-390μg/cm2；
预热温度PCB板面75-110℃，板下比板面高0-25℃；
传送带角度5°-7°，传送带角度参考水平面，起始端低，终端高；
传送带速度1.0-2.0m/min；
焊料接触时间2-6s；
升温速率1-2℃/s；
锡炉温度240-270℃。
2.根据权利要求1中所述的高效助焊剂的焊接工艺，其特征在于，表面活性剂为OP-5、OP-7、OP-10或BYK333中的一种。
3.根据权利要求1中所述的高效助焊剂的焊接工艺，其特征在于，成膜助剂为2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯。
4.根据权利要求1中所述的高效助焊剂的焊接工艺，其特征在于，高效助焊剂通过以下方法制备：
a、根据高效助焊剂配方称取各组分；
b、将溶剂各组分置于带搅拌装置的容器中，搅拌均匀，然后加入表面活性剂，搅拌10-15min，加入氢化松香、富马松香、有机酸类活化剂、表面活性剂、成膜助剂和其它助剂，继续搅拌，经均匀度自动检测系统检测合格后，即得高效助焊剂。
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