（無鉛焊料-無鉛焊料發(fā)展-無鉛焊料作用-臺錫錫業(yè)廠）

1 前言

錫鉛焊料是電子組裝焊接中的主要焊接材料，以其優(yōu)質(zhì)的性能和低廉的成本，一直被人們所重視。但眾所周知鉛及它的化合物是有毒物質(zhì)，人類如長期接觸會給生活環(huán)境和安全帶來較大的危害。其中鉛對兒童的危害更大，會影響其智商和正常發(fā)育。人類為避免這方面的問題，限制使用甚至禁止使用有鉛焊料的呼聲越來越高。最終擁有悠久歷史的傳統(tǒng)型錫鉛焊料，將會逐漸被新的綠色環(huán)保型焊料所替代。如無鉛汽油的廣泛使用就是一個(gè)很好的范例。 世界各國都紛紛開展無鉛焊料的研究工作。特別是歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國家在無鉛化的研究和應(yīng)用上非常重視，已經(jīng)走在世界前列。二十世紀(jì)末日本已有多家知名公司相繼使用無鉛焊料進(jìn)行批量生產(chǎn)。Panasonic 1998年9月就開始在批量生產(chǎn)盒式收錄機(jī)中使用Sn-Ag-Bi(In)，還有NEC、SONY、TOSHIBA、HITACHI等公司先后用無鉛焊料進(jìn)行批量生產(chǎn)，同時(shí)都制定了全面推行無鉛化的期限。

2 無鉛焊料的介紹

傳統(tǒng)錫鉛焊料，它是利用Sn63Pb37為錫鉛低共熔點(diǎn)，其共晶溫度是183℃，與目前PCB的耐熱性能接近，并且具有良好的可焊性、導(dǎo)電性以及較低的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用。無鉛焊料是利用錫與其它金屬如銅、鉍、銀等金屬的合金在共晶點(diǎn)或非

共晶點(diǎn)出現(xiàn)的共熔現(xiàn)象制成的焊料。作為錫鉛共晶焊料合金的替代材料，無鉛焊料應(yīng)該在融點(diǎn)、機(jī)械特性和物理特性等方面同錫鉛共晶焊料合金接近，且供應(yīng)材料充足，毒性弱并能在現(xiàn)有的設(shè)備中運(yùn)用現(xiàn)有的工藝條件進(jìn)行使用。

2.1 無鉛焊料的具體要求

無鉛焊料應(yīng)該具備與錫鉛體系焊料大體相同的特征，具體目標(biāo)如下：

(1)替代合金應(yīng)是無毒性的。一些考慮中的替代金屬，如鎘和碲，是毒性的；其它金屬，如銻、銦，由于改變法規(guī)的結(jié)果可能落入毒性種類。

(2)熔點(diǎn)應(yīng)同錫鉛體系焊料的熔點(diǎn)(183℃)接近，不應(yīng)超過200℃。

(3)供應(yīng)材料必須在世界范圍內(nèi)容易得到，數(shù)量上滿足全球的需求。某些金屬--如銦(Indium)和鉍(Bismuth)--數(shù)量比較稀少，只夠用作無鉛焊錫合金的添加成分。

(4)替代合金還應(yīng)該是可循環(huán)再生的，如將三四種金屬加入到無鉛替代焊錫配方中可能使循環(huán)再生過程復(fù)雜化，并且增加其成本。

(5)機(jī)械強(qiáng)度和耐熱疲勞性要與錫鉛體系焊料大體相同。

(6)焊料的保存穩(wěn)定性要好。

(7)替代合金必須能夠具有電子工業(yè)使用的所有形式，包括返工與修理用的錫線、錫膏用的粉末、波峰焊用的錫條、以及預(yù)成型(preform)。不是所有建議的合金都可制成所有的形式，例如鉍含量高將使合金太脆而不能拉成錫線。

(8)合金相圖應(yīng)具有較窄的同液兩相區(qū)。能確保有良好的潤濕性和安裝后的機(jī)械可靠性。

(9)焊接后對各種焊接點(diǎn)檢修容易。

(10)電性好，導(dǎo)熱性好。

2.2 無鉛焊錫的發(fā)展現(xiàn)狀

通過長時(shí)間的研究，錫被認(rèn)定為是最好的基礎(chǔ)金屬，因?yàn)殄a的貨源儲備充足，無毒害，檢修容易，有良好的物理特性，熔點(diǎn)是232℃，與其他金屬進(jìn)行合金化后融點(diǎn)不會很高。配比合金在得到接受前都必須考慮以下幾種要求：

(1)使用產(chǎn)品時(shí)的材料消耗情況。

(2)產(chǎn)品制造過程中使用的能量情況。

(3)產(chǎn)品處理后的重復(fù)使用性。

(4)材料從制造到再生利用這期間的輻射情況。

經(jīng)過大量的比較后篩選出幾種好的錫合金，它們?yōu)殂~(Cu)、銀(Ag)、鋼(In)、鋅(Zn)、鉍(Bi)、銻(Sb)。選擇這些金屬材料可在和錫組成合金時(shí)降低焊料的熔點(diǎn)，使其得到理想的物理特性。

目前電子業(yè)開發(fā)較為成功的幾種合金體系如表1所示。

表1中得出的這幾種與傳統(tǒng)錫鉛焊料物理特性相近的合金體系詳細(xì)介紹如下：

錫鋅系(Sn91-Zn9)在日本無鉛化使用面很廣，錫鋅系焊料是無鉛焊料中唯一與錫鉛系焊料的共晶熔點(diǎn)相接近的，可以用在耐熱性不好的元器件焊接上，并且成本較低。但是在大氣中使用表面會形成很厚的鋅氧化膜，必須要在氮?dú)庀率褂没蛱砑幽苋芙怃\氧化膜的強(qiáng)活性焊劑，才能確保焊接質(zhì)量。而且潤濕性差也不能忽視。用于波峰焊生產(chǎn)時(shí)會出現(xiàn)大量的浮渣。制成錫膏時(shí)由于鋅的反應(yīng)活性較強(qiáng)，為保證錫膏的存放穩(wěn)定性和增加它的潤濕性，會增添不少的麻煩。可以說此種焊料短期內(nèi)不會得到推廣。

錫銅系(Sn99.3-Cu0.7)焊料在焊點(diǎn)亮度、焊點(diǎn)成型和焊盤浸潤等方面和傳統(tǒng)錫鉛焊料焊接后的外觀沒有什么區(qū)別。而且由于錫銅系焊料構(gòu)成簡單，供給性好且成本低，因此大量用于基板的波峰焊、浸漬焊，適合作松脂心軟焊料。有比錫鉛焊料好的強(qiáng)度和耐疲勞性，還有優(yōu)于錫鉛系焊料之處，那就是在細(xì)間距QFP的IC流動焊中無橋連現(xiàn)象，同時(shí)也沒有無鉛焊料專有的針狀晶體和氣孔，可得到有光澤的焊角。在260℃和245℃的溫度下焊接實(shí)驗(yàn)都很成功。

錫銀系(Sn96.5-Ag3.5)焊料作為錫鉛替代品已在電子工業(yè)使用了多年。它能在長時(shí)間內(nèi)提供良好的粘力。在過回流焊時(shí)無需氮?dú)獗Ｗo(hù)浸潤性和擴(kuò)散性與錫鉛系焊料相近，并且錫銀系的助焊劑殘留外觀比錫鉛系的殘留還要好，基本無色透明。而且還在合金的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和表面張力等方面與錫鉛合金不相上下。 錫銀銅系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)焊料可能將是錫鉛焊料的最佳替代品，它有著良好的物理特性。錫與次要元素銀和銅之間的冶金反應(yīng)是決定應(yīng)用溫度、同化機(jī)制及機(jī)械性能的主要因素。在這三元素之間有三種可能的二元共晶反應(yīng)。在溫度動力學(xué)上錫更適合與銀或銅反應(yīng)，來形成Ag3Sn或Cu6Sn5金屬間的化合物。較硬的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子在錫基質(zhì)的錫銀銅三重合金中，可通過建立一個(gè)長期的內(nèi)部應(yīng)力，有效地強(qiáng)化合金。這些硬粒子也可有效地阻擋疲勞裂紋的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔較細(xì)小的錫基質(zhì)顆粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越細(xì)小，越可以有效地分隔錫基質(zhì)顆粒，結(jié)果是得到整體更細(xì)小的微組織。這有助于顆粒邊界的滑動機(jī)制，因此延長了提升溫度下的疲勞壽命。其中Sn95.4-Ag3.1-Cul.5此種配制為最佳，它良好的性能是細(xì)小的微組織形成的結(jié)果，微組織給予高的疲勞壽命和塑性。對于0.5％～0.7％銅的焊錫合金，任何高于大約3％的含銀量都將增加Ag3Sn的粒子體積分?jǐn)?shù)，從而得到更高的強(qiáng)度，并且不會再增加疲勞性。反之含銅量較高時(shí)造成疲勞性降低。在此種三重系統(tǒng)中，1.5％的銅3％～3.1％的銀最有效地產(chǎn)生適當(dāng)數(shù)量的、最細(xì)小的微組織尺寸的Cu6Sn5粒子，從而達(dá)到最高的強(qiáng)度、可塑性和抗疲勞性。

錫銀銅系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)與傳統(tǒng)錫鉛系(Sn63-Pb37)比較優(yōu)勢在于，配比為3.0%～4.7％Ag和0.5％～1.7％Cu的合金成分通常具有比Sn63-Pb37更好的抗拉強(qiáng)度。

錫銀銅系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)與錫銀系(Sn96.5-Ag3.5)比較優(yōu)勢在于，它的熔化溫度為216℃～217℃，比共晶的Sn96.5-Ag3.5低大約4℃。當(dāng)與Sn96.5-Ag3.5比較基本的機(jī)械性能時(shí)，研究中的特定合金成分在強(qiáng)度和疲勞壽命上表現(xiàn)更好。

錫銀銅系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)與錫銅系(Sn99.3-Cu0.7)的比較，3.0％～4.7％Ag和0.5％～1.7％Cu的錫銀銅成分合金具有較好的強(qiáng)度和疲勞特性，但是塑性沒有Sn99.3-Cu0.7高。

圖1為錫銀銅系焊料在部分元器件上測得的回流焊溫度曲線。

從圖1注意到，Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5能夠達(dá)到的最低熔化溫度為216℃～217℃，這個(gè)溫度還是太高，要適用于現(xiàn)階段SMT的電路板生產(chǎn)應(yīng)低于215℃的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)熔化溫度。這個(gè)問題以后隨著更深入的研究和實(shí)際應(yīng)用會慢慢得到解決。

2.3 應(yīng)用過程中面臨的挑戰(zhàn)

無鉛焊料盡管具有非常光明的應(yīng)用前景，但在實(shí)際應(yīng)用過程中面臨諸多問題，具體如下：

(1)生產(chǎn)成本方面。無鉛焊料一般比較昂貴，其價(jià)格一般是有鉛焊料的2倍以上，促使許多以成本為重點(diǎn)的工廠不愿意使用這門技術(shù)。除了焊料本身的材料成本外，無鉛焊接技術(shù)所帶來的其它材料方面(如元件和基板)因要求的不同(主要在耐高溫方面)也將會提高這些材料的成本，且進(jìn)一步提高總成本。不過這方面的問題不會像一般想象中的嚴(yán)重，因?yàn)樵谠S多情況下，材料成本在整個(gè)生產(chǎn)成本中還只是一部分，這方面因采用無鉛焊接技術(shù)而帶來的成本增加，對整體生產(chǎn)成本的影響可能還是相當(dāng)小的一個(gè)比重。

(2)元件和基板方面的開發(fā)問題。目前無鉛焊料發(fā)展的成果主要還是在焊料和工藝上，元件和基板方面的開發(fā)有必要進(jìn)行跟進(jìn)，使得這門技術(shù)可以真正推廣開來，比如在無鉛焊接上，推廣的焊料中都需要較高的焊接溫度(在回流溫度中約高出傳統(tǒng)錫鉛焊料40℃左右)，這就需要在許多常用元件上確保其所用材料以承受較高的回流溫度。另外，如一些元件的端點(diǎn)材料，采用的銀-鈀鍍層中的鈀，在和無鉛焊料中的鉍合成后會縮短焊點(diǎn)壽命的問題也必須由元件供應(yīng)商來配合解決，這些都還有待進(jìn)一步的發(fā)展。

(3)回流爐的性能問題。采用無鉛焊料將提高焊接溫度，也使回流過程中產(chǎn)品上各點(diǎn)的溫度要求高出許多。這意味著爐子的加熱效率將會面臨很大的挑戰(zhàn)，除了以紅外線加熱為主的爐子可能要被淘汰外，對于許多加熱效率設(shè)計(jì)不甚理想的爐子也會面臨淘汰。這其實(shí)也意味著工廠中現(xiàn)有的某些爐子可能會不適合于使用在無鉛焊接上，用戶在推行此技術(shù)前應(yīng)該對此方面的問題給予考慮和評估。

(4)生產(chǎn)線上的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)問題：采用無鉛焊料，生產(chǎn)線上的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也可能會有些影響。這是因?yàn)闊o鉛焊料與元件端點(diǎn)及焊盤潤濕時(shí)可能形成不了像傳統(tǒng)錫鉛焊料光滑的焊接表面，在焊點(diǎn)亮度、焊點(diǎn)成型和焊盤浸潤等方面和傳統(tǒng)錫鉛焊料焊接后的外觀有些差距，在目視檢查標(biāo)準(zhǔn)中也許有進(jìn)行更改的需要。

(5)無鉛焊料的開發(fā)種類問題：無鉛焊料的開發(fā)種類非常多，至少超過70種以上。比較后有約12種至15種被予以重視和推廣的，在無鉛焊料的同意和認(rèn)同上工業(yè)界仍然需要努力。這將可能是用戶等待觀望的原因之一。

(6)無鉛焊料對焊點(diǎn)的可靠性問題：某此焊料對產(chǎn)品焊點(diǎn)的可靠性(壽命)上的影響還缺乏足夠的科學(xué)數(shù)據(jù)，以致用戶未能對此得到足夠的信心。一些小同機(jī)構(gòu)的研究成果也不完全同意。目前一些國際大機(jī)構(gòu)和電子公司的聯(lián)合研究項(xiàng)目中，似乎都注重于Sn-Ag-Cu方面的研究驗(yàn)證，有關(guān)數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，可能是將來工業(yè)界決定采用哪類焊料的重要因素。

3 結(jié)束語

到目前為止，滿意的替代Sn-Pb體系焊料的無鉛焊料還沒有出現(xiàn)，已出現(xiàn)的無鉛焊料都存住有這樣或那樣的問題。無鉛焊料還需繼續(xù)研究改進(jìn)，逐步提高性能，以滿足電子產(chǎn)品可靠性要求。但有一點(diǎn)可以肯定，隨著研究的進(jìn)一步深入以及對環(huán)保的要求，無鉛焊料必將代替Sn-Pb焊料。

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