表面活性剂在助焊剂中的应用及展望
第x卷第x期电子元件与材料V ol.x No.x 2010年10月ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Oct. 2010
表面活性剂在助焊剂中的应用
郑家春，杨晓军，雷永平
（北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124）
摘要:表面活性剂作为助焊剂的主要成分之一，对提降低助焊剂的表面张力，增加助焊剂对钎料料和母材的亲润性具有重要作用，在提高无铅钎料焊接互连可靠性方面的作用更为突出，以非离子型表面活性剂为主。主要从表面活性剂的作用、助焊剂对表面活性剂的要求、常用表面活性剂三方面祥述了表面活性剂在助焊剂中的应用情况及其发展趋势。
关键词:表面活性剂；助焊剂
中图分类号: TM 文献标识码:A 文章编号:
Application of surfactant in soldering flux
ZHENG Jiachun, YANG Xiaojun，LEI Yongping
(Laboratory of Advanced Electronic Joining Materials, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)
Abstract: Soldering flux is used widely in the electronic field.. As one of the main components, surfactant has a significant effect in improving the performances of the soldering flux.. In this article, we summarized the selection, effects, and applications of surfactant in soldering flux.
Key words: surfactant; flux
近年来，材料工作者开展了深入广泛的研究，寻找各种可以代替锡铅钎料的无铅钎料，其中SnAgCu钎料具有很好的物理和机械性能，可焊性也较好，被公认为是最有可能替代SnPb合金的无铅钎料[3]。但与传统的SnPb钎料相比，SnAgCu系无铅钎料具有润湿性差、易氧化、熔点高等缺点。于是针对有铅钎料而研制的助焊剂已经无法满足无铅钎料钎焊的要求,主要问题在于:一是这些助焊剂对无铅钎料的润湿能力不够, 易造成焊接不良等缺陷。二是不适合无铅钎料的较高的焊接温度, 很多助焊剂在经过较高的预热温度及较高的炉温时会失去部分活性,而产生上锡不好的状况。再者有些含铅钎料的助焊剂对无铅钎料有腐蚀作用[7]。另外有些助焊剂溶剂中含有大量挥发性有机物VOC ,是环保要求所禁用的[4-6]。因此无铅钎料专用助焊剂的研究也是无铅化的热点之一。助焊剂的主要作用是去除母材和液态钎料表面的氧化物，保护母材和钎料在钎焊过程中不致进一步氧化以及改善液态钎料对母材表面的润湿能力。主要由活化剂、表面活性剂、成膜剂、添加剂（稳定剂、缓蚀剂、阻燃剂、消光剂等）、溶剂等组成。
作为助焊剂重要组成部分的表面活性剂在无铅钎焊过程中起着举足轻重的作用，能够降低助焊剂的表面张力，增加助焊剂对钎料料和母材的亲润性，在提高无铅钎料焊接互连可靠性方面的作用更为突出，能够提高无铅钎料的润湿性能，减少无铅焊点缺陷，。目前，在配制助焊剂时主要使用非离子表面活性剂，一些高效助焊剂也使用含氟类特种表面活性剂。由于表面活性剂的种类繁多，不同种类型的表面活性剂所具有的作用也不同，并且表面活性剂呈不断增长的势头，这为配制助焊剂时选用合适的表面活性剂增加了很大的难度。
笔者根据本课题组的研究成果，并结合其他相关文献，综述了表面活性剂在助焊剂中的应用情况及其未来发展趋势。
收稿日期：20xx-xx-xx 通讯作者：杨晓军
基金项目：“十一五”国家科技支撑重点项目“含有毒有害材料元素材料替代技术”资助；
作者简介：杨晓军，副教授，当前研究方向为先进电子连接材料及聚合物基复合材料，Tel: 010-********，E-mail: yangxj@https://www.wendangku.net/doc/713008058.html,；
郑家春（1985－），男，山东临沂人，研究生，当前研究方向为先进电子连接材料，Tel: 152********，E-mail:zhengjiachun2008@https://www.wendangku.net/doc/713008058.html,。研究与试制
4郑家春等：表面活性剂在助焊剂中的应用V ol.x No.x Aug. 2010
1表面活性剂在助焊剂中的作用
在焊接过程中，焊料基本处于液体状态，而元器件管脚或印刷电路板则为固体状态，当两种物质接触时，因液态物质表面张力的作用，会直接造成两种物质接触界面的减小，我们对这种现象的表面概括是“锡液流动性差”或“扩展率小”，这种现象的存在影响焊点形成的面积、体积或形状[13]。因为表面张力是一种物理特性，所以在实际操作中，我们只能改变它而不能完全消除它。在钎焊过程中，降低焊料表面张力的同时，就可以提高焊料的润湿能力，从而达到良好的焊接效果。降低焊料表面张力并不是只有依靠表面活性剂的作用这一种方法，但表面活性剂的使用是比较常见且比较有效的一种方法。
表面活性剂的主要作用是降低助焊剂的表面张力增加助焊剂对钎料和焊接件的亲润性，从而降低钎料的表面张力使钎料更好的铺展开。因为助焊剂在加热过程中呈液态，任何液体又存在表面张力，使液体达到最小表面积而呈球状，从而达不到润湿钎料和焊接件表面的作用，因此通过添加润湿性能比较大的表面活性物质，促使助焊剂与钎料和焊接件表面产生范德华力或化学作用力而接触良好[14]。
助焊剂中表面活性剂的添加量虽然很小，但作用却很关键，能够低“被焊接材质表面张力”，所表现出来的就是一种强效的润湿作用，它能够确保锡液在被焊接物表面顺利扩展、流动、浸润等。通常钎焊过程出现的焊点成球、假焊、拉尖等焊接缺陷与表面活性剂的活性不够有一定关系，而这种原因不一定是助焊剂中表面活性剂添加量太少，也有可能是在生产工艺过程中造成了其成分解、失效等，从而大大减弱表面活性剂的作用。表面活性剂因为其特殊的结构能有效地降低熔融钎料表面张力促进钎料的润湿，但钎焊后会留下吸湿性残留，所以用量不能过多[15-16]。，此外表面活性剂还有增强有机酸活化剂的渗透力，也可以起到发泡剂的作用。
2 助焊剂对表面活性剂的要求
考虑到波峰焊焊接工艺，为使助焊剂中的溶剂充分发挥，以免印刷电路板通过焊锡时，影响印刷电路板的润湿和焊点的形成，产生拉尖、桥接、未焊透、未熔合等缺陷，钎焊时应在180~210℃预热1~3分钟，焊接温度应控制在250±5℃。为此助焊剂应具有较强的持续性而在不同温度范围内均能发挥去除氧化膜和增强润湿性的作用，根据助焊剂的使用要求，助焊剂用表面活性剂还应满足以下几点要求：
1、具有较强的表面活性效果，能够在极小的添加量时，表现出较高的润湿效果。
2、焊后无残留，或残留物不能分解成导电离子状态。
3、具有较好的热稳定性。这是因为助焊剂开始对焊料起浸润作用，一般从焊料熔融时开始，而焊料熔融必须达到焊料的固相线以上温度，锡铅焊料在183℃左右，而无铅焊料更是达到212℃左右，助焊剂使用要求更苛刻。
4、具有较好的化学稳定性。较好的化学稳定性，决定了表面活性剂在整个配方体系中的稳定性，确保表面活性剂在整个焊接过程都能发挥作用。
5、表面活性剂不能或只能具有较弱的活化性能。表面活性剂的重要作用是对熔融态焊料起到浸润作用，而不是去除被焊基材表面的氧化层，所以表面活性剂可以不具备较强的活化性能。
6、具有较合理的使用成本。
3 助焊剂常用的表面活性剂
表面活性剂的分类方法有很多种，一般按亲水基生成的离子类型可将表面活性剂分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型四大类。通常使用的表面活性剂，其憎水基是碳氢烃基分子并还可能含有氧、氮、硫、氯、溴和碘等元素称为碳氢表面活性剂或普通表面活性剂，而含有氟、硅、磷和硼等元素的表面活性剂则称为特种表面活性剂。由于氟、硅、磷和硼等元素的引而赋予表面活性剂更独特、优异的性能，含氟表面活性剂是特种表面活性剂中最重要的品种之一。根据是否含有卤素，把助焊剂用表面活性剂分为含有卤素的表面活性剂和不含有卤素的表面活性剂。
3.1含有卤素的表面活性剂
含卤素的表面活性剂具有活性强,助焊能力高等优势,目前助焊剂中主要使用特种表面活性剂中的碳氟表面活性剂，它的含氟烃基即憎水又憎油[17]，使其具有独特的性能被概括为“三高、两憎”，即高表面活性，高耐热稳定性及高化学稳定性。在助焊剂中添加氟碳表面活性剂，能显著降低该助焊剂的表面张力，在焊接过程中使熔融焊料和固体基材表面的界面张力减小，保证有良好的润湿性和焊接可靠性。助焊剂中常使用的碳氟表面活性剂有全氟辛基磺酞季胺碘化物、水溶性乙氧基类非离子型氟碳表面活性剂、全氟烷基胺（Ld-134）全氟烷基季铵盐（Ld-154）、全氟烷基甜菜碱（Ld-170）、六氟丙烯环氧齐聚物（Ld-200）、FC4430、FC4432、F5010、FSN-100、F501、F502和FS-300等，并有一些它们在助焊剂中应用用专利，如大连理工大学的马海涛;
第x卷第x 期3
郑家春等：表面活性剂在助焊剂中的应用
王来等人申请的专利《一种SnZn系无铅钎料用助焊剂及其制备方法》，里面就选用了FSN系列碳氟表面活性剂。
此外还有其它含有卤素的表面活性剂如二溴丁烯二醇，盐酸二甲胺、十六烷基三甲基溴化胺，十八烷基二甲基苄基溴化铵，十八烷基三甲基溴化铵等，它们具有良好的润湿性能，助焊能力强，对焊点光亮饱满具有一定的作用，在助焊剂中也得到了很好的应用并有相关使用专利。
但因含有卤素的助焊剂卤素离子很难清洗干净,离子残留度高,卤素元素(主要是氯化物)有强腐蚀性,故含有卤素的表面活性剂不适合用作免洗助焊剂的原料。并且含有卤素化合物的电子废料、塑胶产品燃烧后，易产生世界之毒二噁英类化合物，经由生物累积，造成健康危害。国际大公司如：Apple、DELL 等相继于2006年底公布无卤要求规范，明确定义其产品不含卤素相关物质[18]。所以目前应用含有卤素的表面活性剂受到了一定的限制，但是如果只因为环保方面的原因立即停掉或禁止的可能性还是比较小的，可能会有一个漫长的过程。
3.2不含有卤素的表面活性剂
适应电子行业迅速发展的需要，低固含量、无卤素、免清洗是今后助焊剂发展的主趋势，这就要求在配制助焊剂时应选择无卤素的表面活性剂。不含有卤素的表面活性剂与含卤素的表面活性剂相比，润湿性能弱，降低表面张力的能力差，活性小，但离子残留少，可以免清洗。
目前助焊剂常用的无卤素表面活性剂为多元醇型的非离子型表面活性剂如烷基酚聚氧乙烯醚（NP,OP,TX）系列，脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）系列等,由于非离子表面活性剂在水中不电离，不以离子形式存在，因此决定了它在某些方面比离子型表面活性剂优越，具有如下特点：1稳定性高，不易受强电解质无机盐类存在的影响；2不易受Mg2+、Ca2+的影响，在硬水中使用性能好；3、不易受酸碱的影响；4、与其他的表面活性剂相容性好；5、此类表面活性剂的产品大部分成液态和浆态，使用方便。此外添加OP系列非离子表面活性剂可以增进助焊剂对被钎焊材料的均匀润湿作用，使得焊点和钎缝规正、饱满[19]。
4 新型表面活性剂及研究趋势
目前助焊剂中应用的表面活性剂主要是非离子型表面活性剂和碳氟表面活性剂,而其它类型的表面活性剂的使用的则相对较少。随着人们环保意识和电子行业的快速发展,对无铅钎料用助焊剂的要求越来越高,迫切需要开发研究新型环保的无铅钎料用免清洗助焊剂。于是，对助焊剂中表面活性剂的开发和研究将进一步受到重视。
4.1.在助焊剂中采用表面活性剂增效复配技术
表面活性剂复配的目的是产生加和增效作用，即把不同类型的表面活性剂人为地混合后，得到的混合物其性能比原来单一组分的性能更加优良的效果。表面活性剂复配产生的加和增效作用及对其应用性能的改善，已为人们所知并在生产及生活中得到了实际应用[20]。我国表面活性剂的复配增效技术相对落后,所以应大力加强这方面的基础及应用技术研究。采用表面活性剂复配技术是提高表面活性剂在助焊剂中的润湿能力的有效方法。另外还应注意表面活性剂的配伍性能,非离子表面活性剂与其它表面活性剂具有优良配伍性能,并能产生良好的协同效应[21],在配制助焊剂时，我们可以考虑选用非离子表面活性剂与其它类型的表面活性剂复配，以增强助焊剂的润湿性能。
4.2开发新型的助焊剂专用表面活性剂
不同类型的表面活性剂具有不同的特性，例如两性表面几乎能够同所有其他类型的表面活性剂进行复配并在一般情况下都会产生加和增效的作用,在相当宽的Ph值范围内具有良好的表面活性，能耐酸、碱、盐以及碱土金属盐。开发新型环保的助焊剂专用阳离子、阴离子、非离子和两性表面活性剂是助焊剂用表面活性剂发展的一个重要方向。
5 结语
表面活性剂在助焊剂中的广泛使用加速了微电子连接技术的进步和行业的发展，表面活性剂在改进钎焊焊接工艺、提高产品质量方面发挥了显著的作用。表面活性剂在助焊剂的应用中有着广阔的前景，在今后的助焊剂研制与开发中，作为助焊剂核心部分的表面活性剂将成为研究的重点，将越来越受到人们的重视。
参考文献：
[1] 郭福，史耀武，等．无铅钎焊技术与应用，科学出版社，2006.
[2] Trumble B. [J ] . IEEE Spectrum, 1998, 35 (5):55-60.
[3] 史耀武,雷永平,夏志东，等．电子组装用SnAgCu系无铅钎料合金与
性能[J ] . 有色金属,2005 , 57 (3) : 8－15.
[4] Master , Raj N , Starr , et al . No clean flux for flip chip assembly [ P] .
US , 6103549. 2000－08－15.
4郑家春等：表面活性剂在助焊剂中的应用V ol.x No.x Aug. 2010
[5] Henderson , Donald W , Spalik , et al . Composition for increasing activity
of a no2clean flux [ P ] . US , 6217671. 2001－04－17.
[6] 史耀武，雷永平，夏志东，等．无铅焊膏的设计与展望［J］．电子元
件与材料，2008，27（9）：31－34．
[7] 张鸣玲,廖高兵．无卤素低固含水基免清洗助焊剂[P]．中国,1404959A.
2003－03－26.
[8] 朱宇萍．表面活性剂在纳米材料合成与制备中的应用[J]. 内江科技，
2007，7: 124
[9] 刘程，米裕民．表面活性剂性质理论与应用[M]．北京；北京工业大
学出版社，2003: 84－87
[10] 王世荣，李祥高，刘东至，等．表面活性剂化学[M]．北京；化学工
业出版社，2010:21－28 .
[11] 徐燕莉．表面活性剂的功能[M]．北京；化学工业出版社，2000: 120
－126
[12] 张超. 锡铅钎料用钎剂及其作用原理. 电子元器件引线可焊性资料
汇编
[13] 金霞，郭建军，顾小龙，杨倡进，等．焊剂在钎焊过程中作用机理
的探讨[J], 焊接设备与材料，2009，38（10）：38－41. [14] Hisayuki A，Taguchi T，Kawamata Y J，et al．Thermo-setting soldering
flux and soldering process［P］．United States，001907A1，2001－09－06．
[15] Capot，Zhou L，Zhu xioqui，et al．Polymerizable fluxing agents an fluxing
adhesive compositions therefrom［P］．Interational Patent, PCT／US98／15031．
[16] 王伟科，赵麦群，王娅辉，等．助焊剂活性物质的制备与研究［J］．电
子元件与材料，2005，25（3）：33－36．
[18] 徐冬霞，雷永平，夏志东，等．电子组装无铅钎料用助焊剂的研究
现状及趋势［J］．上海交通大学学报，2007，41：53－57．
[19] 李国伟，雷永平，夏志东，等．无铅焊膏用助焊剂的制备与研究［J］．电
子元件与材料，2007，26（8）：24－27．
[20] 张雪勤，蔡怡，杨亚江.两性离子/阴离子表面活性剂复配体
系协同作用的研究[J].胶体与聚合物，2002，20(3)：1-4.
[21] 杨锦宗，张淑芬.表面活性剂的复配及其工业应用[J].日用化学
工业，1999，2（3）：26-32.
[17] 周晓东.含氟表面活性剂的结构、特性及应用研究[J].有机
氟工业, 2004( 2) :14- 18.