聚二甲基硅氧烷疏水添加剂增强水溶性焊锡膏耐湿性的研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhancement of humidity resistance for water-soluble solder paste using a hydrophobic PDMS additive

　　

水溶性焊锡膏因其优异的助焊能力和易于去除残留物的特点，被广泛应用于电子封装领域。然而，水溶性助焊剂的吸湿特性导致其在潮湿环境下流变不稳定，从而产生印刷缺陷并降低工艺可靠性。本研究将疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）添加剂掺入水溶性焊锡膏中，以改善其湿度稳定性，同时保持可靠的焊点形成。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示，特征PDMS吸收区域出现浓度依赖性变化，这与PDMS掺入助焊剂配方中的情况一致。在中等浓度下，PDMS提高了耐湿性，使湿度引起的质量增加从参考试样的29.12 ± 3.32%降至含5 wt% PDMS时的6.07 ± 2.76%，降幅约为79%。相应地，湿度暴露后的粘度增幅从42.8%降至11.7%。此外，坍塌面积增幅从40.2 ± 8.0%降至9.3 ± 3.7%，桥接缺陷数量从29.0 ± 4.4降至14.3 ± 5.1，表明在所研究的条件下印刷稳定性得到改善。润湿平衡测量表明，适量的PDMS掺入保持了快速的初始润湿，同时逐渐降低了平衡润湿力，表明其对润湿过程的初始阶段和平衡阶段具有不同影响。横截面扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和金属间化合物（IMC）厚度分析显示，界面IMC层未随PDMS浓度发生系统性变化，尽管过量的PDMS负载（10 wt%）导致了局部去润湿和微裂纹形成。水清洗后的光学观察显示，在高达5 wt% PDMS的条件下无明显可见残留物，而在10 wt% PDMS时则残留了局部残留物。总体而言，5 wt% PDMS在湿度稳定性、印刷性能、润湿性和界面特性之间提供了最有利的平衡，为开发用于可靠细间距电子封装的耐湿型水溶性焊锡膏提供了一种实用策略。

研究背景与问题

随着电子封装技术向更高集成密度和更细间距方向发展，焊锡膏的可印刷性和润湿行为对可靠焊点形成至关重要。水溶性焊锡膏因助焊活性强且可通过水洗去除回流后残留物而受到青睐，但其助焊剂成分（如弱有机酸等）具有吸湿性，易吸收水分，导致在潮湿环境下焊锡膏流变性能发生变化，进而引发印刷缺陷（如塌陷、桥接），降低工艺良率和组装可靠性。虽然已有大量研究关注湿气对助焊剂残留物及回流后可靠性的不利影响，但针对湿气在回流前直接改变水溶性焊锡膏流变行为和印刷稳定性的研究相对较少。因此，提高焊锡膏在回流前的耐湿性对于实现可靠的电子组装至关重要。

研究内容与结论

研究人员提出将疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为添加剂掺入水溶性焊锡膏中，以抑制湿气诱导的性能退化。研究发现，适量PDMS（5 wt%）显著提升了焊锡膏的耐湿性：湿度暴露后的质量增幅从参考试样（SP0）的29.12%降至6.07%（约降低79%），粘度增幅从42.8%降至11.7%，塌陷面积增幅从40.2%降至9.3%，桥接缺陷数从29.0降至14.3。同时，该配方保持了良好的初始润湿动力学，未明显损害界面金属间化合物（IMC）层的形貌和厚度，且水清洗后无可见残留物。过量PDMS（10 wt%）则导致宏观相分离、局部去润湿、微裂纹形成及清洁性下降。研究表明，5 wt% PDMS在耐湿性、流变稳定性、印刷性能、润湿性、清洁性和界面特性之间取得了最佳平衡，为开发用于先进细间距电子封装的耐湿型水溶性焊锡膏提供了实用策略。

关键技术方法

研究人员使用了以下主要技术方法：利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征PDMS在助焊剂基体中的存在状态；采用旋转流变仪（Haake MARS，Thermo Scientific）依据IPC-TM-650标准（方法2.4.34）测量焊锡膏粘度，并使用粘性测试仪（Malcom）依据IPC-TM-650标准（方法2.4.44）评估粘附力；通过重量分析法测量湿度暴露（25°C，90%相对湿度RH，30分钟）前后的质量变化；使用手动丝网印刷机（SJ-7000M，Sungjin Technology）进行印刷，通过桥接测试（依据JIS Z 3284标准）和塌陷测试评估印刷稳定性；利用润湿平衡测试仪（Malcom）依据IPC-TM-650标准（方法2.4.45）评价润湿性；采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，Gemini 500，ZEISS）结合能量色散X射线光谱（EDS）表征回流后焊点的界面微观结构和元素分布。

研究结果

3.1 焊料粉末的形貌与粒径分布

通过SEM观察到SAC305焊料粉末呈近球形，表面光滑，平均粒径为28.8 ± 5.4 μm，符合Type 4规格（20–38 μm），适用于钢网印刷。

3.2 PDMS掺入助焊剂基体的FT-IR分析

FT-IR光谱显示，随着PDMS浓度增加，其特征吸收区域（Si–CH₃对称变形~1260 cm^-1、Si–CH₃摇摆振动~790 cm^-1）强度逐步增强，证实了PDMS存在于改性助焊剂配方中，且未观察到新的吸收峰或显著峰移，表明主要为物理混合。

3.3 PDMS掺入焊锡膏的特性

宏观外观观察表明，低至中等PDMS浓度（SP0至SPD3）下焊锡膏均匀均一；SPD5开始出现局部PDMS富集区，显示宏观相分离起始；SPD10时相分离遍布整个表面。这归因于PDMS的疏水性与极性助焊剂基体相容性有限，过量添加导致聚集。

3.4 PDMS对流变性能和湿度稳定性的影响

初始粘度随PDMS浓度从SP0（318.7 Pa·s）增至SPD5（410.5 Pa·s），但SPD10降至347.7 Pa·s，与相分离有关。湿度暴露后，所有样品粘度均上升，但增幅从SP0的42.8%降至SPD5的11.7%，表明流变稳定性显著提升。SPD10的增幅回升至39.0%，归因于分散不均。粘附力在各配方间变化不大（106.02–132.02 gf），表明PDMS未损害贴片所需的粘附性能。

3.5 PDMS在潮湿条件下对印刷稳定性的影响

桥接测试显示，桥接缺陷数从SP0的29.0降至SPD5的14.3；塌陷测试显示，面积增幅从SP0的40.2%降至SPD5的9.3%。SPD10略有恶化但仍优于SP0。改进的印刷稳定性与增强的流变稳定性密切相关。

3.6 PDMS对润湿性和可清洁性的影响

润湿平衡测试表明，适量PDMS（SPD3、SPD5）缩短了零交时间t₀和三分之二润湿时间t₁，维持了快速初始润湿；但平衡润湿力F_end随PDMS含量增加逐渐降低（从SP0的2.492 mN降至SPD5的2.102 mN），归因于PDMS的低表面能。SPD10的t₀和t₁最长，F_end略高于SPD3/SPD5，且出现局部去润湿。水清洗后，SP0至SPD5无可见残留，SPD10有局部残留。

3.7 界面微观结构与IMC形成

横截面SEM显示所有样品均形成连续扇贝状Cu₆Sn₅ IMC层，EDS确认其主要由Sn和Cu组成。平均IMC厚度在2.34–2.54 μm范围内轻微波动，无系统性浓度依赖关系。仅在SPD10中观察到局部微裂纹，归因于PDMS相分离导致的局部成分不均匀，而非界面冶金反应改变。

总结与结论

本研究证明，掺入疏水性PDMS能有效提高水溶性SAC305焊锡膏的湿度稳定性，同时保持可靠的焊点形成。FT-IR证实了PDMS的存在。重量分析显示SPD5的湿度诱导质量增幅较SP0降低约79%。适量PDMS掺入还减小了湿度暴露后的粘度增幅（从42.8%降至11.7%）。这些流变趋势伴随着印刷性能的提升，表现为更低的塌陷面积增幅和更少的桥接缺陷。润湿平衡测量显示，适量PDMS维持了快速初始润湿，但逐渐降低了平衡润湿力，而最高PDMS负载时出现了局部去润湿。横截面SEM、EDS和IMC厚度分析未发现界面IMC层的系统性浓度依赖性变化，但在SPD10中观察到局部微裂纹。水清洗后，含5 wt% PDMS及以下的配方无可见残留，而SPD10有局部残留。总体而言，5 wt% PDMS在耐湿性、流变稳定性、印刷性能、润湿性、清洁性和界面特性之间实现了最佳平衡。这些发现表明，疏水性PDMS是改善水溶性焊锡膏在潮湿环境下工艺可靠性的有效添加剂，并为设计用于先进细间距电子封装的耐湿型焊料材料提供了实践指导。