浅析研发电子行业用水基助焊剂的必要性

浅析研发电子行业用水基助焊剂的必要性及思路

夏杰

综述：本文从专业解度论述了以“乙醇、异丙醇”等醇类有机溶剂为主要溶剂的传统助焊剂，在使用过程中存在的风险，行业内波峰焊机也偶发着火事故，为应对环保、安全等要求，研发水基助焊剂势在必行。同时论述了如何应对以水为主体溶剂时，存在的溶解度差、表面张力大等诸多技术难点。

关键词： 助焊剂  有机溶剂  波峰焊  着火  水基  合成

一，电子行业用水基助焊剂定义以及传统化学品的危害分析

（一），电子行业用水基助焊剂定义

“电子行业用水基助焊剂”是指在电子行业所涉及的“电子组装焊接、搪锡、热镀锡”等应用领域，以水为溶剂或主要溶剂研制的起到助焊作用的材料。与之相对应的就是以“乙醇、异丙醇”等有机溶剂为主要溶剂的传统助焊剂。

（二），传统助焊剂的危害性

电子行业在使用助焊剂过程中，使用量占比非常高的部分还是“电子组装焊接”，其中常用工艺为“波峰焊接”，在这种工艺中存在着“红外加热、电加热或热风加热”等，以及“高温熔融焊料”等较为复杂的使用环境，传统溶剂类产品所使用的主体有机溶剂，多数都是属于危险品分类中较容易燃烧的类别，特别是遇到明火或密闭空间内浓度过高时，更是加大了危险程度。

在长期工作中，多次遇到波峰焊机在使用传统助焊剂过程中发生火灾的事故，通过多年助焊剂技术研发及焊接工艺的经验总结，我们对波峰焊机着火的原因进行了以下三个方面分析，并对其产生原因进行了一些尝试性探讨。

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图一，某电子厂着火后的波峰焊机

第一，传统助焊剂本身的问题。

传统助焊剂主要以乙醇、异丙醇等物质作为主要溶剂，这两种溶剂本身的闪点都在11-12℃，而其蒸汽压分别是：乙醇为5.33kPa/19℃，异丙醇为4.40kPa/20℃，具有易燃易爆的特性。在助焊剂的配比中，通过不同闪点物质（各种活化剂、高沸点溶剂、表面活性剂等）的添加，助焊剂本身的闪点会有所提升，这也是为什么助焊剂的闪点一般在20.8℃左右（开口测试），并不等同于溶剂自身闪点的原因所在。虽然助焊剂的闪点通常比主体溶剂自身闪点高，但是传统助焊剂最大的危害特性依然是“易燃易爆”。

第二，焊接工艺问题。

就“助焊剂过波峰焊炉”的焊接工艺方面来讲，可能引起助焊剂着火的原因有以下几个方面：

1．助焊剂涂布量过多,预热时滴到加热管上。

2．PCB上胶条太多,或者胶条脱落到发热管或发热板上，把胶条引燃了。

3．走板速度太快，同时助焊剂涂布量较多时，助焊剂在完全挥发前,不断滴到发热管或发热板上。

4．走板速度太慢，造成板面温度太高。

5．预热温度太高。

6. PCB本身的阻燃性能较差,发热管与PCB距离太近。

上述几点是工艺方面可能引起助焊剂着火的原因，除第六个原因可能是板材本身的质量问题外，其他几个方面均可以通过工艺调整进行改善。第二个原因是PCB上胶条太多胶条脱落引起的着火，减少胶条的使用或者使用更有粘性、更耐高温的胶条，此状况也许能得以改善。第四及第五个原因均表明预热温度过高，将预热温度调低，可能会有效降低着火隐患。第一及第三个原因主要讲助焊涂布量太多，而引起涂布量太多的原因除喷雾或发泡量较大的原因外，不得不考虑的就是波峰焊中风刀的作用，这也是下面要探讨的关于机器设备使用方面的原因之一。

第三，波峰焊机设备工作状况的原因。

从机器设备的使用方面来讲，可能引起波峰焊机着火的原因，可能有以下几个方面：

1，波峰焊机未装风刀，或者风刀角度不对以及风刀孔堵塞、气压不够风力太弱不能正常工作等，因此造成助焊剂涂布量相对太大。在波峰焊机中，无论是喷雾式还是发泡式波峰焊机，在助焊剂涂布完后，都要经过风刀吹风。参考下图二、图三，分别是“喷雾式波峰焊机”及“发泡式波峰焊机”的风刀效果图。

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图二，喷雾式波峰焊机的风刀工作状态示意图

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图三，发泡式波峰焊机的风刀工作状态示意图

通过上图可以看到，正常工作的风刀以40度左右的角度，对涂布过助焊剂的PCB进行吹风，良好的吹风效果，一方面可以使板面的助焊剂涂布更加均匀，另一方面可将多余的助焊剂吹落，从而确保在过预热区时，基本不会有多余的助焊剂在预热区滴落下来；既降低了助焊剂着火的风险，同时也能保护发热管不受侵蚀、延长使用寿命。

如果没有风刀或风刀不能正常工作，应及时安装或调整、修复风刀。风刀的制作并不复杂，可用长约30-50cm，内口径为1-1.5cm的不锈钢管，将其一端封堵，另一端接气泵管，在不锈钢管中部用细钻头均匀打出0.5-1.0mm左右的小孔，然后用夹卡将其固定在喷嘴或助焊槽后，按上述示意图所讲的方法调整好吹风角度即可。

2，在过预热区时，助焊剂在炉内的蒸汽浓度过大，从而引起爆燃。助焊剂蒸汽浓度过大的原因，主要有三个方面：

（1）、助焊剂涂布的过多，或没有风刀的作用，在预热段挥发上来的蒸汽太多。如果是这种状况引起的，按照上面讲过的方法，将风刀装上或调整到正常工作状态就可以降低炉内助时剂蒸汽浓度；

（2）、波峰焊机的抽（排）风装置不能正常工作，或者排风效果较差，造成炉内助焊剂浓度过高。为防止灰尘进入风管，某些波峰焊机上的抽（排）风口，加了一层滤网，这层滤网的确可阻挡灰尘进入，但用一段时间后，在滤网上会有一层很厚的灰，这层灰的存在大大减弱了风管抽（排）风的能力，应该经常拆下清理，确保抽（排）风能力。为加强抽（排）风效果，建议使用有动力、强效抽排风装置，以确保炉内（特别是预热段）的助焊剂浓度不会太高；

（3）、如果波峰焊机本身的抽（排）风装置本身效果较差，同时在波峰焊的预热段上面有一个保护盖（参照图四），这种情况下，很有可能引起助焊剂的浓度过高。如果通过各种改善均未见效时，建议将保护盖取下，这样可以使炉内助焊剂蒸汽浓度降低，减少助焊剂爆燃的可能性。

图四，预热段保护盖及其发热装置平面示意图

二，电子行业用水基助焊剂的研发技术分析

（一），水基助焊剂的基本技术要求

结合当前电子信息产业对环保、安全、产品性能等多方面的要求，在研发水基助焊剂时，我们首先从以下几个基本要求着手，然后进行配方设计：

（1），水基助焊剂要环保、不易燃烧爆炸、使用安全。

这是最基本的一项要求，水基产品首要解决的问题就是环保、不易爆燃、使用安全。目前，在水基助焊剂配方中，有两种思路，一种是纯水基，水基材料含量可达到96-98%左右，所添加“有效物质”（起到主要焊接作用物质）约为2-4%左右。另一种思路是半水基，也就是在水基溶剂体系中添加有机溶剂，整体溶剂的比例应该也在96-98%左右，剩余的为“有效物质”。在溶剂的搭配中，选用一种或两种有机溶剂与水进行混溶，水在此间的比例可以保持在50%-80%，这样配比的意图在于，有机溶剂可以对难溶水物质进行溶解度提升，同时可降低整体产品的沸点，保证在焊接前的挥发更加充分。但这种半水基产品，在实际选用有机溶剂搭配时，考虑到环保、不爆燃等安全性方面的问题，所供选择的种类并不多，如果选用体系不当或添加比例过高，在实际使用中仍达不到要求。

越来越多的客户要求完全不能含有VOC（挥发性有机化合物“volatile organic compounds”），因此，半水基类产品只能当作在“纯水基”技术达不到要求时的一个过渡产品，而不应该投入过多的精力以此为研发方向。

（2），可焊性好，固含较低，焊后PCB板面残留物极少。

传统焊剂的残留物主要是松香或树脂残留，也有少量有机活化剂的残存，固含量高低可控性较强，比较容易调整，比如松香残留多，如果需要残留物减少，就把松香类物质的添加比例降低，可焊性可以通过添加活化剂进行弥补。与传统溶剂型产品相比，水的溶解性能差，与较多有机物的互溶性也差，因此，要添加更多的松香或其他活化剂有一定技术困难。目前产品的固含量控制在2-4%，只要活性能达到，焊接效果是没有问题的。如果客户提出降低固含量，更多的考虑残留物的多少，而我们所需要做到的只是把残留物控制在一定的量，同时让残留在整个焊接面铺展较均匀、残留物颜色不要太深（最好是透明的），这样就基本能达到客户的要求了。

（3），无卤素或低卤素，焊后无后续腐蚀性。

    这是近年，“ROHS”无铅化要求之后的又一新要求，具体规定以“REACH”要求进行，综合参照相关标准，目前控制卤素的主要指标为“总体卤素含量不超过1500PPM，Cl或Br的单体含量不超过900PPM”。而我们在更多的标准中，并未见到此类标准明确列明是对助焊剂的要求，所以，此标准更多的是参照对PCB本身的要求。客户在使用过程中，为了更加简易控制产品卤素指标，把所有材料都做了系统规定，这也是目前供需双方的沟通焦点。

在传统的焊剂配方中，卤素虽然添加量不多，但它能够有效起到较好的助焊作用，提升焊接质量，加快焊接速度，降低焊料表面张力，增加焊点饱满及光亮程度等。虽然目前没有能够完全达到卤素物质效果的替代品，但市面上所销售的一些聚合类无卤素活化剂，对焊接效果还是有一定的帮助，而且这些产品在焊后分解更加充分，只要整个体系控制得当，可以做到焊后无后续腐蚀性的问题。

（4），润湿性好，能有效降低无铅焊料的表面张力。

这是助焊剂的基本功能之一，润湿性是焊接的关键，既要在焊接过程中保证液体焊料的有效浸润，同时也要解决助焊剂本身在板面及元件管脚、通孔的润湿状况，特别是多层板焊接过程中，透锡性要求较高，助焊剂必须能够有效浸润到每一个焊缝。提升浸润效果首先要加强活化性能，增加助焊剂去氧化的速度与能力，另外因为水与有机溶剂相比，本身表面张力较大，所以有必要配合一定的表面活性剂，以降低助焊剂自身的表面张力，使其能够有效浸润。

在选择表面活性剂时，多数阳离子或阴离子表面活性剂在无卤素的要求下，可选空间不大，部分非离子表面活性剂或许可以起到一定的作用，这需要针对性地筛选试验。传统高效表面活性剂（如3M公司产品FC4430、杜邦公司FSN100、清美公司FX100等）主要是全氟或含氟类产品，能否使用也有一些争议，因此选择新型高效表面活性剂是很有必要的。

目前，市面上所销售的无卤素表面活性剂价格较高，在反复实验中，我们发现“昆山安嘉焊接技术服务中心”销售的一款德国技术所生产的高效表面活性剂（FT900），比较适用水基助焊剂，但接近一千元每公斤（约450元/磅）的价格在助焊剂原料中算是比较昂贵。该表面活性剂在传统有机溶剂做主体的助焊剂中，添加量只要控制在整体的“千分之一二”，而在水基焊剂添加量要达到“百分之一二”才能体现出明显的效果，因此成本控制是一个问题。有条件的厂家可以自行合成一些产品试用，这样既能解决了表面活性剂的选择难题，又可以有效控制产品成本。

（5），焊后表面绝缘电阻高，绝缘性好，不需清洗，板面清洁度高。

这是对免清洗助焊剂最重要的要求，因为焊后增加清洗工序，会导致制造成本增加，因此，水基助焊剂仍然应该以免清洗为主要方向。水基免清洗助焊剂的概念和溶剂型焊剂一样，其中可分为“含松香（树脂）”及“不含松香（树脂）”这两个大类，此两类焊剂固含量均可控制在2-4%左右，所以焊后表面残留均能够达到客户的要求。

另外，在水基助焊剂中控制卤素含量及添加种类，可以保证焊后无离子残留或很少离子残留物，参照J-STD-001B及MIL-STD-2000A等国际相关标准要求，免清洗焊剂焊后离子污染物应在1.56μgNaCl/cm ² 以下。如能达到此要求，基本可保证焊后板面无漏电或后续腐蚀的现象，确保产品稳定性与可靠性。

    （6），关于水基助焊剂的“清洗”与“免清洗”特性

在设计水基助焊剂配方（无论是否免清洗）时，需要注意的一个问题是：即使是“免清洗型”助焊剂并不是不能清洗，也不是完全不必要清洗，更不是完全没有焊后残留物，只是相对较少符合相关要求而已。至于是否“清洗”或“免清洗”，要结合被焊接产品本身的要求而定，在精密电子装联工艺中，或要求100%的良品保证时，如军工、航天或医用电子产品的装联过程，任何极其微量的残留都有可能导致产品的不良，因此，多数时候这些行业并不能做到真正的“免清洗”，只有在具体个案、特定的条件下，当充分考证助焊剂残留物的可靠性后，才有可能做到真正的“免清洗”。

（二），水基助焊剂的技术难点及应对分析

(1)，水基助焊剂中松香（树脂）的添加

以上有到在水基助焊剂中添加松香（树脂）的情况，在实际配方研发及生产过程中松香（树脂）的添加是关键技术难点，因为除极个别特制改性树脂外，大多数的松香（树脂）都不溶于水，因此导致添加十分困难。

为了解决及应对这个问题，我们做了长期的实验研究，最后找到了解决这个问题的办法。在实验中，我们首先对目前市场上常用的松香进行了筛选对比，其中包括“特级松香、氢化松香、歧化松香、水白松香、特制改性松香以及精制氢化松香”等十几个品种，通过大量反复实验，发现其中一款“特制改性松香（AK-R70）”具有较好的效果，而且在一定的工艺条件下，能够顺利添加至水溶剂中，并起到较好的浸润及活化效果。相关理化指标参数见下表：

通过上表简单的几个参数来分析，该松香的软化点较低、酸值较高，而焊接中润湿及铺展的情况刚好与这两个方面有关系。通过与有机溶剂助焊剂体系中添加量做对比，我们发现在水基助焊剂中通过相应表面活性剂的配合，其添加量与有机体系中一致时，基本能到同等的效果。

（2），水基助焊剂需要更多合成材料

因为水的极性问题，很多常规材料如“有机酸活化剂、松香”等，直接添加时并不能充分溶解，那么合成材料就非常有必要了，在长期实验中，多选择以“胺合”的方式进行材料合成（具体工艺及其性能在另外文章介绍）。行业内其他研究团队，也有以双酚类物质合成丙烯酸活化剂或合成有机酸酯、酰胺类化合物的方向。

合成材料做出来的水基助焊剂与传统焊剂的工作原理一致，但在一些性能指标方面有所差异，比如“酸值”等参数，就需要新的标准来测定，以评估产品的活化性能。

因为合成工艺存在一定的专业与技术要求，与传统助焊剂使用的添加剂多数是外购单一原料相比，这是水基助焊剂的核心技术及难点所在，对助焊剂工程师提出了更高的专业要求。

三，水基助焊剂的发展前景

虽然传统助焊剂具有易燃易爆、高挥发性等潜在危害，但在现实应用中，多数使用方并不愿意更换以水为主体的水基助焊剂，究其原因有以下几个方面：1，传统助焊剂与水基助焊剂相比，价格低廉，节省了大量的制造成本；2，传统助焊剂挥发速度要快；3，使用传统助焊剂在工艺上无需增加新设备、无需更改工艺，而水基产品需要配合更高效率的预热、烘干等；4，使用者对水基助焊剂的认知不足；5，使用单位对已经认证过的传统助焊剂有依赖性，不愿意繁琐地与客人沟通重新验证。限于以上问题，电子行业水基化学品的推广依然是任重而道远。

通过市场走访，我们取得了不同类型的几款水基助焊剂，并与“江苏科技大学”焊接专业的王博士进行了相关对比实验，我们自主研发的SL65-2#系列产品技术相对成熟，性能基本达到传统助焊剂的效果，因为产业转型，该产品已于2018年5月停产，没有进入后续市场推广。在长期多次对比试验中，我们接触到比利时Interflux “09MLF”系列，其主要销售对象是国内的欧美电子企业，售价也比较昂贵，可达人民币七八十元每公斤；国产水基助焊剂在价格方面低于进口产品、性能及技术相对稳定的是“深圳市唯特偶新材料股份有限公司”生产的“2066P-2”系列。以上两款产品都是纯水基助焊剂，在整体溶剂中基本没有测到有机溶剂的存在，闪点都非常高，能够满足使用、运输安全。另外，在“润湿、残留、绝缘电阻”等技术参数的实验中也都有比较理想的数据。

近年来，政府对包括电子、化工等各种生产及经营企业，加强了“环保、安全”诸多方面的监督管理，配套法规越来越完善、违法代价越来越大。因此，更多的电子产业需要转型使用环保材料，鉴于传统助焊剂的危害性，水基助焊剂是电子行业未来发展的必然趋势。

参考文献：

1，刘彬、安正阳，混合可燃液体闪点的近似估算，《昆明理工大学学报（理工版）》，2008年10月第5期

2，张文典，波峰焊接技术与设备，《实用表面组装技术（第2版）》，2006年，12.2

3，杨剑，新型活化剂的合成及在无铅焊膏产品上的应用，（四川大学，硕士学位论文），2006年5月