第2章 工艺辅料
2.1 助焊剂
发展历史
助焊剂，也称焊剂，按照形态可以分为固态、液态和膏状几种，比如，松香芯焊锡丝中的松香就是固态，波峰焊接的助焊剂为液态，焊膏中用的就是膏状的。所谓助焊剂，就是指在焊接过程中用于清洁被焊接表面并防止再次氧化的工艺材料。本章仅介绍液态助焊剂。
液态助焊剂的发展历史，主要是由清洗工艺驱动的。在早期的松香基助焊剂中，松香的质量百分比很高（达20%～40%），大量采用卤素盐的有机化合物作为活化剂。由于该助焊剂残留多且发黏再加上腐蚀问题，焊接后必须清洗。
早期使用的清洗剂为氯氟碳化合物，它们是一种臭氧耗损物质（ODS），最著名的就是氟利昂（CFC），严重破坏大气层的臭氧层，最终危害人类环境。因此，1987年由27个国家发起并签署了《蒙特利尔公约》，要求成员国减少破坏臭氧层物质的排放，最终要求从1996年1月1日起发达国家全面禁止生产CFC类物质。
后来开发了替代清洗剂——氢氯氟碳化合物（HCFC）和氢氟碳化合物（HFC）。前者仍然含有氯，可能会破坏臭氧层，后者是一种温室气体。正是由于溶剂型清洗剂的若干环保问题，水溶性助焊剂应运而生。但又给废水处理带来问题，最终提出了免洗助焊剂的概念。目前免洗助焊剂已成为广泛使用的助焊剂。
液态助焊剂的发展历史可以用一个简图表示，如图2-1所示。
图2-1 液态助焊剂的发展历史
免洗助焊剂，容易引起误解，本质上它是一种低固含量的助焊剂。不清洗，不是因为焊接后板面看上去干净，而是因为免洗助焊剂焊后残留物的电气安全性能能够满足要求，不用清洗也不会导致绝缘性能下降或引起腐蚀的问题。而这个相关的评价方法就是测试表面绝缘电阻（Surface Insulation Resistance，SIR）。按照J-STD-004B标准，在IPC-TM-650 2.6.3.7规定的试验条件下，只要助焊剂残留物的表面绝缘电阻满足＞100MΩ即可。
分类
对助焊剂进行分类，主要目的是方便用户选用。
目前国际上通用的助焊剂分类标准为J-STD-004。首先，按照助焊剂不挥发物（固体含量）的主要化学组成分为四大类：松香型（RO）、树脂型（RE）、有机型（OR）和无机型（IN）；其次，根据助焊剂或助焊剂残留物的腐蚀性或导电性的进一步细分为低活性（L）、中等活性（M）和强活性（H），见表2-1。
表2-1 J-STD-004B助焊剂分类
助焊剂类型名称中的0、1分别表示助焊剂中不含卤化物（＜0.05%作为不含卤化物看待）和含卤卤化物两种状态。L，M，H和0，1都必须由表2-2中对应的测试方法确定，只有满足某类助焊剂的所有测试项要求才能归为某类助焊剂。
表2-2 助焊剂分类测试要求
注：①该方法可确定离子卤化物的含量。
②如采用免清洗助焊剂组装印制电路板，且组装后进行了清洗，清洗后，用户应该验证SIR和ECM值。J-STD-001可用于工艺特性描述。
③测得的助焊剂固体含量中的卤化物质量百分比＜0.05%时，则该助焊剂为无卤化物助焊剂。如清洗后，M0或M1助焊剂通过了SIR测试，而不清洗则不能通过测试，那么这种助焊剂应当进行清洗。
④对于不需要去除的助焊剂，要求只在不清洗状态下进行测试。
分类测试
助焊剂产品是一种典型的配方型产品，生产工艺并不复杂，产品的技术含量完全在于成分的选择与配比。因此，对于任何一家助焊剂生产商而言，产品配方绝对是公司的最高机密，不可能透露给客户。用户方面只能从若干技术指标来了解助焊剂的基本性能。
助焊剂的技术指标分为三类：第一类是与基本物理性质相关的，如外观颜色、密度、固体含量；第二类是与助焊性能有关的，如酸值、润湿能力等；第三类是与助焊剂的腐蚀性与电气安全性能相关的，如水萃取液电导率、卤化物含量、铜镜腐蚀、表面绝缘电阻等。这些技术指标的含义、检测方法及技术指标要求，详细参见J-STD-004标准。测试方法见表2-3。
表2-3 助焊剂测试指标与测试方法
注：（○）代表测试可选项，×代表测试必选项。
1.铜镜测试
助焊剂的腐蚀性应当按照IPC-TM-650测试方法2.3.32（用来确定助焊剂腐蚀性的两种方法中的其中一种）来确定。只有当助焊剂的铜膜没有任何部分被完全除去时，助焊剂才应当被归为L型。如果有任何铜膜被除去，并通过玻璃显示的背景来证明，此类助焊剂就不应当被归为L型。如果只有助焊剂周围的铜膜被完全除去（穿透＜50%），那么助焊剂就应当被归为M型。如果铜膜被完全除去（穿透＞50%），助焊剂就应当被归为H型。
2.铜板腐蚀测试
助焊剂残留物的腐蚀性应当按照IPC-TM-650测试方法2.6.15确定。为了达到这个测试方法的目的，应当采用下列有关腐蚀的定义：焊接后并暴露在上述测试方法规定的环境条件下，铜、焊料和助焊剂残留物之间发生的化学反应，按下列要求对腐蚀进行定性评定。
1）无腐蚀
观察不到腐蚀的迹象。因焊接期间加热测试板时，将有可能使初步转变的颜色加深，如图2-2（a）所示，这种状况可忽略。
2）轻微腐蚀
助焊剂残留物中离散的白色或有色斑点，或颜色变为蓝绿色但是没有铜凹陷的现象被看作是轻微的腐蚀，如图2-2（b）所示。
3）严重腐蚀
随着蓝绿色污点/腐蚀的扩展，能够观察到铜面板凹陷，则视为严重腐蚀，如图2-2（c）所示。
图2-2 铜板腐蚀评定样板
3.卤化物含量定量测试
应当采用卤化物定量测试确定液态助焊剂或萃取的助焊剂溶液中氯化物（Cl-）、溴化物（Br-）、氟化物（F-）和碘化物（I-）的浓度。助焊剂中卤化物的总含量为Cl-、Br-、F-和I-测量值的总和。卤化物含量以卤化物在助焊剂固体（非挥发物）成分中的氯化物当量百分比来表示。应当按照IPC-TM-650测试方法2.3.28.1确定氯化物、溴化物、氟化物和碘化物的总含量。
助焊剂固体（非挥发物）含量的确定，应当依据IPC-TM-650测试方法2.3.34或供应商与用户的协议确定液态助焊剂残留固体量。对于固体含量＜10%的助焊剂，固体含量与供应商标称值的误差不应当＞10%，所有其他助焊剂，助焊剂的固体含量与供应商标称值的误差不应＞5%。
4.SIR测试
除测试时间应当为7天外，应当按照IPC-TM-650测试方法2.6.3.7来确定助焊剂的表面绝缘电阻（SIR）要求。应当按照IPC-TM-650测试方法2.6.3.3，采用具体产品的再流焊接或者波峰焊接曲线制备SIR图形。
说明SIR测试结果时，供应商应当明确指明SIR测试前是否要求清洗及所采用的清洗工艺类型。
通过SIR测试的标准如下。
（1）测试图形上的所有SIR测量值都应当＞100MΩ。
（2）不应当有使导体间距减小超过20%的电化学迁移（枝晶生长现象）。
（3）应当有导体腐蚀（梳形电路导体一极有轻微的变色是可接受的）。
5.电化学迁移（ECM）测试
应当按照IPCTM-650测试方法2.6.14.1评定助焊剂对电化学迁移的抵抗能力，测试温度为65℃±2℃，相对湿度为88.5%±3.5%RH。应当按照IPC-TM-650测试方法2.6.3.3，采用具体产品的再流焊接或者波峰焊接曲线制备ECM测试图形。
说明ECM测试结果时，供应商应当明确指明ECM测试前是否要求清洗及所采用的清洗工艺类型。
应当根据测试方法报告绝缘阻抗初始值（IR初始，96h稳定期后的测量值）和绝缘阻抗最终值。通过ECM测试的标准如下。
（1）绝缘电阻（IR）最终阻抗≥IR初始阻抗/10，即施加偏压后的平均绝缘阻抗不应当降低至小于绝缘阻抗初始值的十分之一。
（2）不应当有使导体间距减少超过20%的电化学迁移（枝晶生长现象）。
（3）不应当有导体腐蚀（梳形电路导体一极有轻微的变色是可接受的）。
助焊剂的选用
助焊剂产品与钎料合金产品在应用上的最大不同在于适用性上的差别。就钎料合金而言，无论是什么样的电子产品，Sn63-Pb37钎料合金或者无铅的Sn-Ag-Cu合金都是适用的。而助焊剂则不同，哪怕是同一种电子产品，不同的制造商都会对助焊剂有不同的要求。这也造就了助焊剂产品的多元化，一个成熟的助焊剂产品供应商一般都会有几十种甚至上百种的助焊剂产品供客户选择。
举例来说，一般的电子产品制造商都希望得到光亮的焊点，但是，在一些PCB板面积比较大、板上焊点比较多的情况下，制造商会要求采用消光型助焊剂。这主要是因为在后续焊点质量的目视检测过程中，如果焊点多且光亮，很容易造成工人的视觉疲劳。因此，消光型助焊剂作为一类特殊用途的助焊剂占据了一定的市场份额。
正因为助焊剂的多元化特点，在选择助焊剂的时候，必须弄清楚真正的需求。对用户而言，一定是要通过自己的实际使用来评价和选择。
在电气安全性能方面，生产商提供的SIR测试数据只是一种参考，用户方一定要根据自己公司的标准在焊接后对PCB进行老化试验，而后根据自己的产品特点进行相应的电气测试。在电气安全性能测试通过后，用户对助焊剂的选择更多的是依据焊点质量的评估。助焊剂的评估一般考虑以下几个方面：
（1）助焊剂涂覆方式。
（2）免清洗、溶剂清洗还是水清洗。
（3）波峰焊接之前经过几次再流焊接。
（4）有铅工艺还是无铅工艺。
（5）与PCB阻焊层及三防材料的兼容性。
（6）焊点质量与焊接良率。
（7）焊剂残留物表观质量。
除了考虑以上方面，对助焊剂本身的了解也很重要，它是选择助焊剂的基础。助焊剂有三个关键属性，即活性、固体含量和材料类型。这三个属性决定了助焊剂的基本类型及工艺特性。
1）低固含量的免洗助焊剂（固体含量为2%～8%）
（1）酒精基，含有或不含有松香或树脂。
（2）水基（无挥发性化学物质），无松香或树脂（很少例外），因为松香不溶解于水。
（3）活性为低到中等。
（4）“寿命短”（工艺期间活性作用的时间较短）。
（5）可能需要也可能不需要清洗。
2）松香助焊剂
（1）高含量松香（含35%～45%的松香）/中含量的松香（含15%～20%的松香）。
（2）溶剂基。
（3）可能是低活性，但一般都是中到高活性。
（4）“寿命短”（工艺期间活性作用的时间较短）。
（5）一般都需要清洗。
3）水溶性助焊剂
（1）通常都是高固体含量，含11%～13%的松香。
（2）溶剂基（个别情况是水基的）。
（3）通常都是高活性。
（4）“寿命短”（工艺期间活性作用的时间短）。
（5）都必须清洗。
市场上常见的液态助焊剂分类如图2-3所示。
图2-3 市场上常见的液态助焊剂类别