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2.1 焊膏
组成
焊膏由焊料合金粉（以下简称焊粉）和焊剂组成，而焊剂又由溶剂、成膜物质、活化剂和触变剂等组成，如图2-1所示。
图2-1 焊膏的组成
焊剂各组分所占焊膏质量的百分比及成分如下。
（1）成膜物质：2%～5%（Wt），主要为松香及其衍生物、合成材料，最常用的是水白松香，主要用于阻止再流焊接过程熔融焊料表面的再次氧化。松香分子为“大块”的分子，氧原子很难穿过去，再流焊接阶段覆盖在熔融后焊料表面，起到防止焊料氧化的作用。其他有机酸，如硅橡胶、丙烯酸等，都属于长分子链，氧原子相对比较容易穿过去，不适合做保护膜使用。
松香本身也具有调节黏度的作用。
（2）活化剂：0.05%～0.5%（Wt），最常用的活化剂包括二羧酸、特殊羧基酸和有机卤化盐。助焊剂的发展经历了有机盐酸盐、有机共价卤化物、有机酸三个阶段，有机铵盐酸盐[如（CH 3 ）NH·HCl]活性强，有机共价卤化物不能适应无卤要求，目前焊膏使用的活化剂主要为有机酸，它能够适应免洗、无卤的要求。这些有机酸均为固态，一般为两种以上有机酸的混合物，如“己二酸+丁二酸”、“己二酸+柠檬酸”等。
（3）触变剂：0.2%～2%（Wt），增加黏度，起悬浮作用。这类物质很多，优选的有蓖麻油、氢化蓖麻油、乙二醇-丁基醚、羧甲基纤维素。
（4）溶剂：3%～7%（Wt），多组分，有不同的沸点。松香、有机酸等都是固态的，不能适应焊膏印刷的工艺要求，也不能混溶，必须添加溶剂。焊膏中所用的溶剂主要为醇和醚。
（5）其他：表面活性剂、偶合剂。
焊膏的设计，一方面需要满足功能要求；另一方面需要满足工艺要求，如应用场景（敞开的环境还是封闭的环境、刮刀还是封闭印刷头）、印刷操作要求（印刷操作时间、性能的稳定性）等。
焊膏配方设计
焊膏所用的活化剂多为有机酸、有机胺、有机卤化物。与无机系列焊剂相比，其活性比较弱，但具有加热迅速、分解留下的残留物基本呈惰性、吸湿性小、电绝缘性能好的特点。
焊膏的配方中起决定作用的是焊剂的配方，焊剂各组分的作用如图2-2所示。
图2-2 焊剂各组分的作用
焊剂的三大功能：
（1）化学功能。去除被焊金属表面的氧化物并在焊接过程中防止焊料和焊接表面的再氧化。
（2）热学功能。焊剂能在焊接过程中迅速传递能量，使被焊金属表面热量传递加快并建立热平衡。
（3）物理功能。焊剂有降低焊料表面张力的功能，有助于焊料与被焊金属之间的相互润湿，起到助焊作用。焊接后可形成化学性质稳定的绝缘层，“固”住生成物。
活化剂去除氧化物的原理
反应一，生成可溶性盐类。
反应二，氧化-还原反应。
再流焊接过程中焊膏的物理化学变化
由于各种品牌焊膏配方的不同以及焊接时温度曲线设置的差异，很难准确地描述再流焊接过程中焊膏在什么温度点发生了什么化学和物理变化，但并不妨碍我们对其作一个大致的定性描述。
认识和了解再流焊接过程中焊膏的物理和化学变化，对正确的设置温度曲线、减少焊接不良十分重要。比如，ENIG焊盘上出现焊剂污点或焊锡点，如果我们清楚它发生的大致温度点、了解其发生的原因，那么我们就可以优化温度曲线，减少此类焊接不良。
图2-3是作者根据一些试验报告绘制的一个焊膏在再流焊接过程中的状态变化图，描述了焊剂在不同阶段的挥发情况、焊膏的物理变化、焊锡焊剂飞溅的发生阶段、去除金属氧化物的主要阶段。需要说明的是，图中一些数据不是一个准确的数值，仅说明一个大致情况，如溶剂的挥发量，它不仅取决于温度与时间，更取决于焊剂组成以及沸点，这点请读者注意。
图2-3 焊膏在流焊接过程中的状态变化
焊膏的性能评价
对一款焊膏进行评价，一般应包括焊膏的使用性能、助焊剂性能、金属粉性能等内容，详细评价指标如图2-4所示。
图2-4 焊膏评价指标与方法
日常例行检查，主要检测影响工艺质量的五项指标：
印刷性——实践中可以通过观察0.4mm间距的CSP或QFP焊膏印刷图形来评价。
聚合性——用焊球试验评价（在规定的试验条件下，检验焊膏中的合金粉末在不润湿的基板上熔合为一个球的能力），目的是检验焊剂短时去氧化物能力以及焊粉的氧化程度。
铺展性——用扩展率试验进行评价，用于确定焊剂的活性。
塌落度——评价焊膏印刷后保持图形原状的能力。
黏着力——评价焊膏的黏附强度。
焊膏使用
1）冷藏储存
必须存放在5～12℃。如果温度过高，焊粉与焊剂反应，会使黏度上升而影响印刷性；如果温度过低（0℃下），焊剂中的松香成分会产生结晶现象，使焊膏性能恶化。
活性比较强的焊膏，如果常温存放（如解冻）有可能发生焊粉与焊剂反应，使焊膏变黏、变稠、活性变低，这点可通过观察焊膏焊粉颗粒表面是否光滑予以确认。
2）回温后开封使用
必须在操作环境下放置2h以上解冻，以避免冷凝水出现。
3）印刷环境
（25±3）℃，相对湿度小于或等于65%，以维持焊膏出厂性能。
4）温度对印刷时间的影响
（湿度在60%下）温度在20℃、25℃、30℃时，可印刷时间分别为12h、7h、2h。
5）湿度对印刷时间的影响
25℃时，随湿度增加，印刷时间减少。
焊膏活性的表现
焊膏活性的表现：
（1）焊膏的活性越强，在OSP处理的焊盘上铺展面积越大，如图2-5所示。
图2-5 在OSP处理焊盘上的铺展
（2）焊膏的活性越强，引线爬锡越高，如图2-6所示。
图2-6 引线爬锡高度与活性
（3）焊膏的活性越强，焊锡对引脚的覆盖越好，如图2-7所示。
图2-7 引脚的覆盖与活性
（4）采用0.127mm（5mil）厚的钢网印刷焊膏，在165～175℃下，烘烤10min，然后再加热到210℃（对于有铅焊膏），观察焊锡表面葡萄球现象的严重程度。葡萄球越少，表示去除氧化物能力越强。
这是判定焊剂活性比较简单和有效一些方法，通常不需要专门制作试验板就可进行。从中也应该领悟到利用焊剂活性的强弱可以解决一些连接器的爬锡过高的问题——可以利用低活性焊剂焊接引脚镀金的连接器，这是笔记本电脑制造中经常采用的手段。
焊剂残留物
焊膏残留物在不同的条件下会形成不同的形态，如图2-8所示。一般再流焊接完成后，焊膏中焊剂残留物呈玻璃态，但如果焊点形成的环境比较封闭，就会形成黏稠状的松香膜，我们称之为“湿”的焊剂残留物。如果焊点在高温高湿环境下存放时间比较长，有可能形成白色粉状结晶物。不管是“湿”的还是白色粉状结晶物状态，这些残留物吸潮后，活化剂中的游离离子（H + ）会释放出来并在偏压作用下发生迁移，从而使绝缘电阻能降低到10 6 Ω以下。
图2-8 焊剂残留物形态与危害性
焊点在敞开环境下，再流焊接时，焊膏中的溶剂、部分活化剂等会完全挥发掉，形成“干”的松香膜，它将未反应完全或未分解、未挥发的活化剂“固”住，起到了防止焊剂残留物腐蚀的作用。但是，随着元器件封装的底部面阵化，特别是QFN、LGA封装，焊膏再流时排气通道越来越不畅通，有可能造成焊膏中的溶剂、活化剂等难以充分挥发，形成“湿”的焊剂残留物。这种“湿”的焊剂残留物，使得残留物中的离子态物质能够自由移动。如果存在于有压差的两个引出端，将发生漏电甚至电迁移现象，其绝缘电阻将小于10 6 Ω。
图2-9 焊剂残留物可能的两种状态
Indium公司的李宁成博士对“湿”的焊剂残留物的绝缘性能做过系统研究。采用在梳状图形上刷图助焊剂并覆盖玻璃的方法制作试件并过炉，获得了“湿”的焊剂残留物。按照IPC的试验条件进行SIR的测试，发现“湿”的焊剂残留物表面绝缘电阻（SIR）都出现下降，下降到10 6 Ω以下。试验初期，直接采用焊膏印刷到梳状图形上没有模拟出“湿”的残留物。
某公司于2014年11月出现一例LGA焊接后短路的案例，扒开LGA，焊剂残留呈“湿”的状态。事实上，该公司也采用了类似方法对湿的焊剂残留物进行绝缘电阻测试，复现了产品中看到的短路现象，也看到了枝晶现象。
对于LGA与QFN，一般条件下，焊剂中的溶剂能够挥发干净，上述案例主要因为LGA比较重、尺寸比较大。
通常情况下，对于QFN，不需要做特别的设计考虑，由于其尺寸比较小，一般不会形成“湿”焊剂残留物现象；对于LGA，可以采用焊盘周导通孔不塞孔或焊盘不阻焊的设计。原则上，如果不是因为尺寸的限制，尽可能不选用LGA封装。开发LGA封装，主要是IC厂家出于对降成本的考虑，对焊接而言没有任何好处，不仅焊接良率不高，焊点的可靠性也不高。
焊膏应用问题
（1）印刷时的焊膏结块现象，主要见于密封印刷头的印刷过程，是由于焊膏焊粉受到四周的摩擦，焊粉表面的氧化物容易被去掉，焊膏越来越干所造成的。对于焊膏，我们希望印刷操作周期内能够保持性能稳定，焊剂与焊粉不发生反应。
（2）焊锡飞溅主要是焊膏中溶剂沸点比较低所引起的。
（3）对于LGA的焊接，可以采用无卤焊膏（活性比较低，湿的残留物也能够满足SIR的要求），但焊接的缺陷如球窝比较高；选用含卤的焊膏，活性比较强，焊接良率比较高，但可能漏电。
（4）水溶性焊膏/焊剂。设计水溶性焊膏，就是为了不用VOC类有机溶剂，而能够采用去离子水进行清洗。水溶性焊膏的配方是按清洗工艺设计的，增加了活化剂，因此使用后必须进行清洗。一般免洗焊膏不采用水溶性设计，因为没有意义，同时有危害。能够用水进行清洗，就一定吸潮，吸潮就会降低绝缘电阻。
（5）免洗焊膏的三防涂覆。一些产品要求高的可靠性，需要进行三防涂覆。问题是，目前绝大多数产品使用了免洗焊膏，那么三防涂覆时还要不要进行清洗呢？不清洗有什么风险？这是业界一直争议的一个问题。AIM公司对此进行了研究（见Karl Sennlig、Timothy O′Neill等发表在SMT China 2014年6/7期的《在免洗助焊剂上涂覆表面涂料》一文），通过对各种涂料绝缘电阻、涂层黏合强度的对比测试，表明可以直接在免洗单板上进行三防涂覆，但是需要做涂料与焊剂残留物的兼容性测试。
AIM的研究还发现：
①溶剂基丙烯酸涂料性能优于紫外固化的聚氨酯涂料。研究者的解释是溶剂使得残留物与涂层黏合得更紧密，减少了CTE不匹配带来的影响。
②软的残留物有利于解决三防涂层的分层问题，但对SIR影响明显（软的焊剂残留物也是焊剂中溶剂挥发不充分的结果，只是挥发程度比湿的焊剂残留物稍充分而已，绝缘电阻同样不能满足绝缘要求）。研究者的解释是水分进入湿的焊剂残留物会引起腐蚀。