焊锡膏成分的定性定量综合分析技术

转自半导体封装工程师之家

张莹洁、陈斌、丁勇、王玉、刘子莲、倪毅强

（工业和信息化部电子第五研究所、中联重科股份有限公司、

中兴通讯股份有限公司）

摘要：

焊锡膏的材料一致性关乎产品的批次稳定性，有必要开展对焊锡膏成分的定性定量分析研究工作。采用熔融冷却、溶剂溶解和离心分离等手段对焊锡膏进行预处理，得到金属、溶液和悬浮物三部分。再通过电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）、气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对这三部分的成分进行定性定量分析。结果表明：焊锡膏中各成分和含量（以质量百分数计）分别是锡（85.5443）、银（2.5502）、铜（0.4498）、三丙二醇单丁醚（5.7625）、2-乙基咪唑（0.3494）、正葵酸（0.1460）、己二酸（0.4915）、苯并三氮唑（0.1706）、5-甲基苯并三氮唑（0.1017）、2.4-二叔丁基苯酚（0.0065）、白油（0.6899）、酰胺类低聚物（0.1081）和松香（3.6295）。提出了针对焊锡膏产品的成分定性定量分析研究方法，具有一定的借鉴和指导意义。

1引言

随着电子设备往高频、高速、大功率、高集成度方向的发展，电子装联产品对可靠性的要求越来越高，而对产品装联起到关键作用的是由焊锡膏的品质所决定的。据统计，电子产品72%的损坏和缺陷与焊锡膏的质量有很大关系，因而，焊锡膏的成分和性能对电子装联产品而言，显得尤为重要。为了确保焊锡膏材料的一致性，提升电子装联产品的可靠性，有必要开展对焊锡膏成分的定性定量分析研究工作。

焊锡膏通常由焊料合金粉末和助焊膏两部分经均匀混合搅拌而制得，其组分复杂，往往由金属、有机小分子和高分子等多种成分构成；而且在样品含量上，不同组分之间的差异悬殊，通常都是常量和微量组分共存一体，有时起关键作用的成分可能很微量，可见，对于焊锡膏产品的定性定量综合分析难度较大。目前，对于焊锡膏产品，大部分文献主要集中在助焊剂部分的定性分析研究，如张玉等采用甲酯化法处理活化粉，经GC-MS定性分析了活化粉的活性物质。缪伟等采用气质联用法对焊膏助焊剂的化学成分进行分析。这些研究都没有涉及焊锡膏成分的定量分析。

本文主要利用GC-MS，FT-IR，ICP-OES，对焊锡膏产品进行定性定量综合分析，确认了焊锡膏的组成及各组分含量。研究过程和数据处理方式可以为焊锡膏类产品的成分综合分析提供思路，指导研发、生产和应用工作的开展。

2试验方法

2.1 主要试验试剂 

甲醇（上海凌峰化学试剂有限公司，色谱纯&分析纯）；异丙醇（广州化学试剂厂，色谱纯&分析纯）；二氯甲烷（国药化学集团，色谱纯&分析纯）；正己烷（国药化学集团，色谱纯&分析纯）；某品牌无铅焊锡膏（SAC305）。

2.2 试验仪器及条件

FT-IR：傅里叶变换红外光谱仪，透射模式，扫描波长为400~4000 nm，分辨率为4 cm -1 ，扫描次数为32次。

ICP-OES：电感耦合等离子体发射光谱仪。高频发射器功率为1.2 kW，等离子气流量12 L/min，辅助气流量1 L/min，雾化气流量0.7 L/min。

GC-MS：气相色谱质谱联用仪。色谱柱DB-5MS，30 m×0.25 mm×0.25 μm；进样口温度280 ℃；柱温初温45 ℃，升温程序是以10 ℃/min的速率由45 ℃升至300 ℃后，保持10 min；载气为高纯氦气，流速1 mL/min；进样量1 μL，分流比为30∶1；溶剂延迟2 min。电离源EI，电离电压70 eV，离子源温度为230 ℃，接口温度为250 ℃，四级杆温度为150 ℃，扫描范围29～450 amu，全扫描方式，其他条件为调谐值。

2.3 试验方法流程

处理样品的具体步骤为：1）称取一定量焊锡膏放置在烧杯中，加热熔融后冷却，并用合适溶剂清除助焊剂，得到金属部分。2）称取一定量焊锡膏置于10 ml标准离心管中，然后用一定量有机溶剂正己烷，或二氯甲烷，或异丙醇甲醇混合液（体积比为9:1）溶解离心，得到溶剂与悬浮物混合液。3）对混合液离心分离，得到溶剂部分和悬浮物沉淀部分。4）对悬浮物集中收集后，依次用正己烷、二氯甲烷、异丙醇甲醇混合液（体积比为9:1）各淋洗3次，得到悬浮液部分。试验方法流程如图1所示。

3试验结果

3.1 金属部分

称量金属部分质量，可求得金属部分在焊锡膏中的质量分数为88.55%。

采用ICP-OES对金属部分进行测试，试验结果见表1。测试结果显示主要有银和铜两种金属元素，另外还有铝、铁、锑、铅等杂质元素。而锡（Sn）含量由余量法可知，为96.6056%。

3.2 溶剂部分

考虑焊锡膏中助焊膏成分复杂，且部分组分微量，不利于分离后定量分析，故未进行其他分离操作，而是采用不同极性的溶剂溶解样品后，直接按用GC-MS测定，将其结果与NIST14谱图库对照。用不同溶剂溶解后的溶液的分析结果详见表2、表3和表4，其中微量的二丙二醇单丁醚、2-（2-羟基丙氧基）-1-丙醇、四乙二醇二甲醚、二乙氧基甲烷来源于三丙二醇单丁醚在测试过程中的解离，另外检索出的多种饱和烷烃信号，表明含有白油。综合不同溶剂溶解后溶液的分析结果可知：溶剂部分主要物质是三丙二醇单丁醚、2-乙基咪唑、正葵酸、己二酸、苯并三氮唑、5-甲基苯并三氮唑、2.4-二叔丁基苯酚、白油和松香。

对上述结果中各组分进行定量分析：采用标准物质配制不同浓度梯度的溶液，按上述条件用GC-MS测定，根据峰面积与浓度的相关关系绘制标准曲线，并计算各组分溶解后的浓度，分析结果见表5。 

3.3 悬浮物部分

将悬浮物质烘干称重后，可求得悬浮物在锡膏中质量分数为0.1081%。

使用红外光谱仪对其进行测试，其红外光谱如图2所示。3308 cm -1 是酰胺基-NH的伸缩振动；2921cm -1 和2850 cm -1 是-CH 2 伸缩振动；1645 cm -1 是羰基-C=O的伸缩振动；1557 cm -1 和1256 cm -1 是N-H弯曲和C-N伸缩振动；1468 cm -1 是CH 2 对称弯曲振动；3080 cm -1 是1557 cm -1 的倍频；720 cm -1 是-CH 2的面内弯曲振动；690 cm -1 是N-H面外摇摆振动。由红外结果可知悬浮物质是酰胺类低聚物。

3.4 综合分析

结合金属部分、溶液部分和悬浮液部分结果，并结合公式（1）和公式（2），可得焊锡膏各组分及含量，其中松香为混合物，无法精确定量，含量通过余量法求得。分析结果见表6。

式中：ω 金属为金属部分的质量分数；ω 1 为在金属部分中各金属成分的质量分数；ω 溶液为溶液部分的质量分数；ω 2 为在溶液部分中各有机物质成分的质量分数；m 溶剂 为溶剂质量；m 0 为初始焊锡膏质量。

4结论

本文通过对焊锡膏采取熔融冷却、不同有机溶剂溶解和离心分离等分离提取方法，将金属、溶液和悬浮物部分成功分离，并采用GC-MS，FT-IR，ICP-OES等分析手段对各部分进行定性定量分析。本文提供的分析方法和思路可以为焊锡膏的成分定性定量分析提供有效参考，为焊锡膏材料一致性分析提供研究基础，为提升电子装联产品的可靠性提供了保障。

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