专利名称：含阳离子型表面活性剂的助焊剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及在诸如印刷线路板之类的电子组件的焊接应用方面有用的助焊剂组合物。
本发明的现有技术印刷电路板(PCB)也被称为印刷线路板(PWB)的制造通常被分为两个加工范畴制造和组装。向电路板制造过程的终点，在电镀和蚀刻之后，大部份PCB被焊接剂掩模覆盖着。焊接剂掩模用来防止PCB被掩盖的区域有焊接剂的附着。因此，PCB上以后将被焊接的区域(例如，焊盘和孔)不被掩模覆盖。
在组装过程的第一个步骤中，通孔和诸如集成电路、接插件、双列直插式组件、电容器和电阻之类的表面安装的元器件两者都是用PCB定向的。例如，有引线的元器件可以通过把它的引线穿过板上的孔安装到PCB上。可以使用粘合剂使表面安装的元器件附着到板的底面(即，将被焊接的表面)上。然后，元器件准备好被焊接到PCB上，以保证元器件和PCB电路之间的可靠的电连续性。元器件引线和末端或焊盘借助波焊程序被焊接到一起。
波焊程序包括助熔处理，预热和焊接的步骤。在助熔处理步骤中，助熔剂用来准备待焊接表面。这样的准备通常是需要的，因为PCB和元器件在焊接程序之前储存在非净室环境中而受到污染。除此之外，氧化物可能已在引线、末端和/或焊盘上形成。除了与污染物和氧化物反应即除去污染物和氧化物之外，助熔剂还能完成其它的功能，例如，保护表面免于再次氧化和减少焊接剂和衬底之间的界面间的表面张力以增强润湿性。
通常使用喷雾、泡沫或波动助熔处理程序把助熔剂施加到PCB和元器件的焊接表面上。助熔处理程序后面跟着的是蒸发助熔剂中的溶剂载体(例如，醇或水)和开始加热结合表面的预热步骤。预热步骤后面跟着的是波焊程序，在该程序中PCB与安装在它上面的元器件一起在熔融的焊接剂的波浪上经过。焊接剂的波浪是通过喷嘴泵送的；然后，波浪接触结合表面并且将焊接剂沉积在结合表面上。然后，沉积的焊接剂起粘结和电连接元器件的引线和末端与PCB上的触点的作用。
许多现有的低固体、不干净的焊接助熔剂引起过多的焊剂球留在PCB表面上。这些助熔剂还引起焊剂桥接，因为它们的表面张力太高。除此之外，由于它们微弱的活性水平，助熔剂不能将锈斑和氧化物从结合表面上彻底地清除。焊剂球是随机地或非随机地出现在焊接掩模上和/或在电路板上的元器件引线之间的不想要的焊剂球；焊剂球能够桥接两个导体之间的间隙，从而导致电短路。焊剂桥是能够在被设计成彼此不连接的两条迹线或引线之间形成短路的不必要的焊剂连接。焊剂桥和/或焊剂球都可能引起电路板的电气故障。过多的焊剂球和桥接还需要昂贵的修整操作将它们清除。即使极小的焊剂球，往往称之为微焊剂球，因为它们仅仅在放大的情况下才能看得见(例如，放大10倍)，也能够导致间隔非常小的电路板上的线路和焊盘与元器件的引线和末端电短路。现有的助熔剂的另一个问题是它们能够在PCB的表面上留下看得见的残留物，除了难看之外还能在进行内部线路探针测试时引起误判的不合格品。
因此，需要一种助焊剂组合物，它将通过降低PCB表面、元器件引线/末端和熔融的焊接剂之间的表面张力在不增加可见的残留物的数量的情况下有效地准备结合表面和减少焊剂球和焊剂桥的数量。
在一个实施方案中，溶剂是诸如异丙醇之类的醇。阳离子型表面活性剂可以是季铵氟烷基表面活性剂。阴离子型表面活性剂可以是壬基苯氧基聚乙氧基乙醇表面活性剂。活化剂可能是二羧酸和溴化的阴离子型化合物的组合。涂上一层本文中描述的助熔剂的印刷线路板包括通常由金属组成的传导性路径和传导性触点在它上面印刷和电耦合的衬底。助熔剂被涂在传导性触点上；然后焊接剂被加到助熔剂和电路板上。焊接剂在触点和固定在PCB上的元器件之间提供电耦合。
本文描述的助熔剂提供多种优势。这些助熔剂能够从待焊接的从PCB表面有效地除去金属氧化物，以促进焊接剂浸润。这些助熔剂还能够大大降低PCB表面和熔融的焊接剂合金之间的界面间表面张力，借此促进过剩的焊接剂从板表面排流，从而减少焊剂球和焊剂桥的形成。此外，这些助熔剂能够减少在波焊处理期间形成的可见的助熔剂残留物的数量。本发明的详细描述助焊剂组合物将溶解在诸如异丙醇、乙醇、去离子水或它们的混合物之类的挥发性的溶剂中的一种或多种阳离子型表面活性剂、一种或多种阴离子型表面活性剂和活化剂合并。这些成分在助熔剂组合物中的适当的浓度范围(按重量百分比)如下50-98％溶剂、0.2-10％活化剂、0.01-1.0％阳离子型表面活性剂和0.05-10％阴离子型表面活性剂。在特定的实施方案中，上述每种成分的浓度范围(按重量百分比)如下75-98％溶剂、0.2-5.0％活化剂、0.05-0.5％阳离子型表面活性剂和0.10-2.0％阴离子型表面活性剂。一种或多种高沸点添加剂也可以与助熔剂组合物合并，例如，按重量计以0.2-25％的浓度。
诸如FLUORAD FC-135表面活性剂(St.Paul，Minnesota的3M公司制造)、SURFLON S-121表面活性剂(日本，SeimiChemical公司制造)、或Neos FTERGENT 300表面活性剂(日本，Neos制造)之类的阳离子型季铵氟烷基表面活性剂被用来大大减少助熔剂残留物以及板表面和熔融的焊接剂合金的表面张力。因此，在板表面上随机的和非随机的焊剂球的体积也被减少。包括芳香族砜官能团的铵类或胺类氟烷基表面活性剂(例如，作为带芳香族砜官能团的阳离子型季铵氟烷基化合物的Neos FTERGENT 300表面活性剂)已被发现是特别有效的。
阴离子型表面活性剂是为了进一步降低组合物的表面张力和改善助熔剂的高温耐受性以进一步减少焊剂球和桥而添加的。阴离子型表面活性剂能够抵抗在大约500°F(260℃)的温度下沸腾的焊接剂盆上的分解。适当的阴离子型表面活性剂包括但不限于壬基苯氧基聚乙氧基乙醇、辛基苯氧基聚乙氧基乙醇、脂肪醇乙氧基化物、乙氧基化/丙氧基化的(EO-PO)共聚物、炔属二醇、炔属二醇乙氧基化物、全氟烷基环氧乙烷、全氟烷基氧化胺和羧酸全氟烷基酯(例如，S-141、S-145、S-111和S-113，日本Seimi Chemical公司制造)。
尽管阳离子型或阴离子型表面活性剂都能独自减少熔融的焊接剂和待结合的金属表面的表面张力，但是阳离子型和阴离子型表面活性剂的组合通过戏剧性地降低熔融焊剂的表面张力和待结合的金属表面、PWB上的焊接掩模和暴露的层压板的表面能可以在避免焊剂球和焊剂桥方面产生出乎意料的积极结果。具体地说，虽然阴离子型表面活性剂的使用能够提供需要的高温耐受性，但是即使在比较高的浓度下阴离子型表面活性剂的使用仍然有可能在板表面上留下数量相当大的焊剂球。反之，阴离子型表面活性剂和阳离子型表面活性剂的组合浓度能够产生实质上没有焊剂球和焊剂桥的竣工表面，与单独使用相等浓度的阴离子型表面活性剂或阳离子型表面活性剂相比实质上更是这样。
阳离子型和阴离子型表面活性剂的组合通过降低熔融焊剂的表面张力和金属表面、PWB上的焊接掩模和暴露的层压板的表面能两者产生一种增效效应。结果，微焊剂球、焊剂桥和助熔剂残留物的数量都被减少到非常低的水平。
为了使助熔剂能在特定的高温焊接应用中耐受焊接过程的加热，助熔剂组合物还可以包括各种不同的高沸点添加剂，例如醇、乙二醇醚和酯。醇可以是各种不同类型的醇，例如，芳香醇和/或长链脂族醇和松香醇全部能使用。特定的例子包括卞醇、十四烷醇和/或氢化枞醇。此外，松香酯(例如，松香的甲基酯、甘油酯或季戊四醇酯)、改性的松香或树脂的酯(例如，氢化松香的甲基酯)和/或其它类型的酯(例如，羧酸的甲基酯)都能被包括在助熔剂之中。各种乙二醇醚溶剂(例如，二丙二醇一甲基醚或乙/丙二醇苯基醚)也能被包括在助熔剂之中。能够并入助熔剂的松香、树脂和蜡包括树胶松香、浮油松香、木蒸松香、化学改性树脂和松香(例如，氢化松香)、聚合松香、松香的富马/马来加合物、酚醛树脂和其它天然的和合成的树脂、松香和蜡。这些松香、树脂和蜡可以被单独使用或混合在一起使用，以便提高被焊接的PWB的电学可靠性。
助熔剂组合物还包括活化剂系统，该系统可以包括一种或多种有机羧酸，例如，琥珀酸、己二酸、衣康酸、丙二酸、草酸或戊二酸。作为替代或除此之外，助熔剂可以包括阴离子型、共价键键合的有机卤化物活化剂，尤其是溴化物活化剂，例如，反式-2，3-二溴-2-丁烯-1，4-二醇(DBD)、二溴苯乙烯或二溴琥珀酸。溴化物活化剂可以是一、二或三溴羧酸。活化剂用化学方法清除焊接表面上的氧化物。
另外，助熔剂还可以包括少量的各种提高性能的成分，这些成分本质上不影响助熔剂的基本助熔性能。这样的成分包括但不限于腐蚀抑制剂、染料、发泡剂和/或消泡剂、生物杀伤剂和稳定剂。这些提高性能的成分的用途对于熟悉助熔剂配制技术的人将很容易理解。
在元器件的引线或末端被放置在PCB上并且适当地定位之后(例如，把引线穿过在PCB上的镀金的或未镀金的通孔)，助熔剂可以通过喷雾、起泡沫、波动或其它已知的方法施加到引线和触点上。然后，如有必要，可以用气刀除去多余的助熔剂。在施加助熔剂之后，板被加热以使溶剂挥发；然后，板通常是在熔融焊剂的波浪上借此进行波焊。波焊程序使焊剂沉积在引线和触点上，于是焊接剂把元器件粘结到板上并且形成电连结。
本发明的助熔剂组合物实质上能够保证板和熔融焊剂的表面张力在波焊期间被降低到这样的程度，以致焊接剂不在焊接掩模上和板上元器件的引线之间形成的不受欢迎的焊剂球和/或桥。此外，来自PCB的残留助熔剂的清洗可以被省略，以致PCB能在助熔剂残留物极小的痕迹保留在PCB上的情况下被用于电子应用中。
涉及在本文中描述的助熔剂和方法的附加的助熔剂成分和特征以及附加的方法是在L.Turbini的“Fluxes and Cleaning(助熔剂和清洗)”，Printed Circuits Handbook(印刷电路手册)，4th Ed.(第四版)，第31章(1996)中提供的，其教导在此通过引证全部并入。例证助熔剂的实施方案在下面的实施例组合物中被进一步说明。然而，应该理解，虽然这些描述具体地描述了本发明的特定的实施方案，但是这些实施例主要是为了举例说明的目的，而本发明在其更宽广的方面被解释，且不受这些实施例的限制。
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
实施例5
实施例6
实施例7
实施例8
实施例9
实施例10
实施例11
实施例12
实施例13
实施例14
实施例15
实施例16
实施例17
实施例18
实施例19
实施例20
实施例21
实施例22
实施例23
实施例24
下面的表格描述在上述的实施例中使用的每一种注册商标的化学品
虽然本发明已参照其实施方案具体地予以展示和描述，但是熟悉这项技术的人将理解在形式和细节方面各种各样的改变可以在不脱离本发明的范围的情况下进行，本发明的范围只受权利要求书限制。
权利要求
1.一种助焊剂，其包括溶剂；在溶剂中的活化剂；在溶剂中的阳离子表面活性剂；以及在溶剂中的阴离子型表面活性剂。
2.根据权利要求1的助焊剂，进一步包括选自乙二醇醚溶剂、芳香醇、长链脂肪醇、松香醇、羧酸的甲基酯、松香酯和改性松香和树脂的酯的高沸点添加剂。
3.根据权利要求1的助焊剂，其中溶剂包括醇。
4.根据权利要求1的助焊剂，其中溶剂包括水。
5.根据权利要求1的助焊剂，其中活化剂包括羧酸。
6.根据权利要求5的助焊剂，其中羧酸活化剂包括选自琥珀酸、己二酸、戊二酸、衣康酸、草酸和丙二酸的至少一种活化剂。
7.根据权利要求1的助焊剂，其中活化剂包括以共价键键合的阴离子型溴化物的化合物。
8.根据权利要求7的助焊剂，其中以共价键键合的阴离子型溴化物的化合物包括从由反式-2，3-二溴-1-丁烯-1，4二醇；二溴苯乙烯和一、二、三溴羧酸组成的群体当中选定的至少一个成员。
9.根据权利要求1的助焊剂，其中阳离子型表面活性剂包括从由季铵氟烷基化合物和阳离子型氟烷基胺化合物组成的群体当中选定的至少一种表面活性剂。
10.根据权利要求1的助焊剂，其中阴离子型表面活性剂包括从由乙氧基表面活性剂、乙氧基/丙氧基共聚物表面活性剂和含氟表面活性剂组成的群体当中选定的至少一种表面活性剂。
11.根据权利要求1的助焊剂，另外包括选自天然的松香、树脂和蜡；化学改性的松香、树脂和蜡；合成的树脂和蜡；以及它们的混合物的至少一种松香，树脂或蜡。
12.一种助焊剂，其包括溶剂；溶剂中的活化剂；以及溶剂中的阳离子表面活性剂，该表面活性剂选自阳离子型氟烷基季铵化合物和阳离子型氟烷基胺化合物。
13.根据权利要求12的助焊剂，其中阳离子型表面活性剂包括芳香族砜官能团。
14.一种用来为应用焊接剂的准备衬底表面的方法，该方法包括将溶剂、活化剂、阳离子型表面活性剂和阴离子型表面活性剂的助熔剂应用于衬底表面的步骤。
15.根据权利要求14的方法，其中助熔剂另外包括选自的至少一种高沸点添加剂从团体由～所组成乙二醇醚溶剂、芳香醇、长链脂肪醇、松香醇、羧酸的甲基酯、松香酯、以及改性的松香和树脂的酯。
16.根据权利要求14的方法，进一步包括在助熔剂应用于衬底之后焊接衬底的步骤。
17.根据权利要求14的方法，其中阳离子型表面活性剂选自阳离子型氟烷基季铵化合物和阳离子型氟烷基胺化合物。
18.根据权利要求17的方法，其中阳离子型表面活性剂包括芳香族砜官能团。
19.根据权利要求14的方法，其中阴离子型表面活性剂包括至少一种选自乙氧基化表面活性剂、乙氧基化/丙氧基化表面活性剂和含氟表面活性剂的表面活性剂。
20.一种印刷电路板，其包括电绝缘衬底；衬底上的至少一条导电路径；至少一个与所述的导电路径电耦合的导电触点；以及助焊剂涂在导电触点上，该助焊剂包括阳离子型表面活性剂和阴离子型表面活性剂。
全文摘要
助焊剂包括溶剂、溶剂中的活化剂和阳离子和阴离子型表面活性剂。这种助焊剂可以在应用焊接剂之前先被应用到诸如印刷电路板之类的衬底上。
文档编号B23K35/363GK1429143SQ01809369
公开日2003年7月9日 申请日期2001年4月13日 优先权日2000年4月13日
发明者桑约吉塔·阿罗拉, 莫斌 申请人:弗赖斯金属有限公司d.b.a.阿尔发金属有限公司