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技術(shù)文章
無鉛焊料研發(fā)及應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：2619 發(fā)布時(shí)間：2011-4-13
焊料從發(fā)明到使用，已有幾千年的歷史。Sn／Pb焊料以其優(yōu)異的性能和低廉的成本，一直得到人們的重用，現(xiàn)已成為電子組裝焊接中的主要焊接材料。但是，鉛及其化合物屬于有毒物質(zhì)，長期使用會(huì)給人類生活環(huán)境和安全帶來較大的危害。從保護(hù)地球村環(huán)境和人類的安全出發(fā)，限制使用甚至禁止使用有鉛焊料的呼聲越來越強(qiáng)烈，這種具有悠久應(yīng)用歷史的Sn／Pb焊料，將逐漸被新的綠色焊料所替代，在進(jìn)入二十一世紀(jì)時(shí)，這將成為可能?！ ?/div>
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人體通過呼吸，進(jìn)食，皮膚吸收等都有可能吸收鉛或其化合物，鉛被人體器官攝取后，將抑制蛋白質(zhì)的正常合成功能，危害人體中樞神經(jīng)，造成精神混亂、呆滯、生殖功能障礙、貧血、高血壓等慢性疾病。鉛對(duì)兒童的危害更大，會(huì)影響智商和正常發(fā)育?！ ?/div>
電子工業(yè)中大量使用的Sn／Pb合金焊料是造成污染的重要來源之一，在制造和使用Sn／Pb焊料的過程中，由于熔化溫度較高，有大量的鉛蒸氣逸出，將直接嚴(yán)重影響操作人員的身體健康。波峰焊設(shè)備在工作中產(chǎn)生的大量的富鉛焊料廢渣，對(duì)人類生態(tài)環(huán)境污染極大。近年來有關(guān)地下水中鉛的污染更引起人們的關(guān)注，除了廢棄的蓄電池大量含鉛外，丟棄的各種電子產(chǎn)品PCB上所含的鉛也不容忽視。以美國為例，每年隨電子產(chǎn)品丟棄的PCB約一億塊，按每塊含Sn／Pb焊料10克，其中鉛含量為40％計(jì)算，每年隨PCB丟棄的鉛量即為400噸。當(dāng)下雨時(shí)這些鉛變成溶于水的鹽類，逐漸溶解污染水，特別是在遇酸雨時(shí)，雨中所含的硝酸和鹽酸，更促使鉛的溶解。對(duì)于飲用地下水的人們，隨著時(shí)間的延長，鉛在人體內(nèi)的積累，就會(huì)引起鉛中毒。
二十世紀(jì)九十年代初，由美國國會(huì)提出了關(guān)于鉛的限制法案，并由工作小組著手進(jìn)行無鉛焊料的研究開發(fā)活動(dòng)。目前，美國已在汽車、汽油、罐頭、自來水管等生產(chǎn)和應(yīng)用中禁止使用鉛和含鉛焊料。但該法案對(duì)電子工業(yè)產(chǎn)生的效能并不大，在電子產(chǎn)品中禁止使用含鉛焊料進(jìn)展緩慢。歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家對(duì)焊料中限制鉛的使用也很關(guān)注。對(duì)于居住環(huán)境意識(shí)較強(qiáng)的歐洲，歐盟于1998年通過法案，已明確從2004年1月1日起任何制品中不可使用含鉛焊料，但因技術(shù)等方面的原因，在電子產(chǎn)品中*禁止使用鉛有可能推遲至2008年執(zhí)行。在無鉛焊料研究和應(yīng)用方面，日本走得zui快。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需要，擴(kuò)大*，日本提出了生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的概念。松下電器、日立、NEC、富士通等各大公司紛紛降低了鉛的使用，并制訂了無鉛化的進(jìn)程計(jì)劃，從2000年開始已在部分產(chǎn)品生產(chǎn)中使用無鉛焊料。
此外，隨著微細(xì)間距器件的發(fā)展，組裝密度愈來愈高，焊點(diǎn)愈來愈小，而其所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)負(fù)荷則愈來愈重，對(duì)可靠性要求日益提高，但傳統(tǒng)的Sn／Pb合金的抗蠕變性差，不能滿足近代電子工業(yè)對(duì)可靠性的要求。因此，無鉛焊料的開發(fā)和應(yīng)用，不僅對(duì)環(huán)境保護(hù)有利，而且還擔(dān)負(fù)著提高電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要任務(wù)。
近幾年來有關(guān)無鉛焊料的研究工作發(fā)展很快，世界上各大公司、國家實(shí)驗(yàn)室和研究院所都投入了相當(dāng)?shù)牧α块_展無鉛焊料的研究。國內(nèi)外的已有的研究成果表明，zui有可能替代Sn／Pb焊料的無毒合金是Sn基合金。無鉛焊料主要以Sn為主，添加A g 、Zn 、Cu 、Sb、Bi 、In等金屬元素。通過焊料合金化來改善合金性能，提高可焊性。由于Sn—In系合金蠕變性差，In極易氧化，且成本太高；Sn—Sb系合金潤濕性差，Sb還稍具毒性，這兩種合金體系的開發(fā)和應(yīng)用較少。實(shí)際上二元系合金要做成為能滿足各種特性的基本材料是不完善的，目前zui常見的無鉛焊料主要是以Sn—A g 、Sn—Zn、Sn—Bi為基體，在其中添加適量的其它金屬元素所組成的三元合金和多元合金。如果單純考慮可焊性，能替代Sn／Pb共晶焊料的無鉛焊料很多，如下表所示。
綜觀Sn—A g 、Sn—Zn、Sn—Bi三個(gè)體系無鉛焊料，與Sn—Pb共晶焊料相比，各有優(yōu)缺點(diǎn)。Sn—A g系焊料，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度，蠕變特性及耐熱老化性都比Sn—Pb共晶焊料*，延展性比Sn／Pb共晶焊料稍差，但不存延展性隨時(shí)間加長而劣化的問題。Sn—A g系焊料，熔點(diǎn)偏高，通常比Sn—Pb共晶焊料要高30—40℃，潤濕性差，而且成本高。熔點(diǎn)和成本是Sn—A g系焊料存在的主要問題。Sn—Zn系焊料，機(jī)械性能好，拉伸強(qiáng)度比Sn—Pb共晶焊料好，與Sn—Pb焊料一樣，可以拉制成線材使用；具有良好的蠕變特性，變形速度慢，至斷裂的時(shí)間長。該體系z(mì)ui大的缺點(diǎn)是Zn極易氧化，潤濕性和穩(wěn)定性差，且具有腐蝕性。Sn—Bi系焊料，實(shí)際上是以Sn—A g（Cu）系合金為基體，添加適量的Bi組成的焊料合金，合金的zui大的優(yōu)點(diǎn)是降低了熔點(diǎn)，使其與Sn—Pb共晶焊料相近；蠕變特性好，并增大了合金的拉伸強(qiáng)度，但延展性變壞，變得硬而脆，加工性差，不能加工成線材使用?？傊壳半m然已開發(fā)出許多可以替代Sn—Pb合金的焊料，但尚未開發(fā)出一種完替代Sn／Pb合金的高性能低成本的無鉛焊料?！ ?/div>
為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和提高產(chǎn)品質(zhì)量為目的，并考慮電子組裝工藝條件的要求，無鉛焊料應(yīng)滿足以下條件：熔點(diǎn)低，合金共晶溫度近似于Sn63／Pb37的共晶溫度183℃，大致在180℃～220℃之間；無毒或毒性很低，所選用的材料現(xiàn)在和將來都不會(huì)污染環(huán)境；熱傳導(dǎo)率和導(dǎo)電率要與Sn63?。疨b37的共晶焊料相當(dāng)；具有良好的潤濕性；機(jī)械性能良好，焊點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱老化性能；要與現(xiàn)有的焊接設(shè)備和工藝兼容，可在不更新設(shè)備不改變現(xiàn)行工藝的條件下進(jìn)行焊接；與目前使用的助焊劑兼容；焊接后對(duì)各焊點(diǎn)檢修容易；成本要低，所選用的材料能保證充分供應(yīng)?！ ?/div>
這是研制開發(fā)無鉛焊料的方向，要做到滿足以上要求，有一定的難度，因此，對(duì)性能、成本均理想的綠色焊料的研制已成為研究的熱點(diǎn)?！ ?/div>
電子組裝焊接是一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)無鉛焊接技術(shù)的應(yīng)用，其影響因素很多，要使無鉛焊接技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，還必從系統(tǒng)工程的角度來解析和研究以下幾個(gè)方面的問題：
元件：目前開發(fā)已用于電子組裝用的無鉛焊料，熔點(diǎn)一般要比Sn63 ／Pb37的共晶焊料高，所以要求元件耐高溫，而且要求元件也無鉛化，即元件內(nèi)部連接和引出端（線）也要采用無鉛焊料和無鉛鍍層?！ ?/div>
PCB：要求PCB板的基礎(chǔ)材料耐更高溫度，焊接后不變形，表面鍍覆的無鉛共晶合金材料與組裝焊接用無鉛焊料兼容，而且要考慮低成本。
助焊劑：要開發(fā)新型的氧化還原能力更強(qiáng)和潤濕性更好的助焊劑，以滿足無鉛焊料焊接的要求。助焊劑要與焊接預(yù)熱溫度和焊接溫度相匹配，而且要滿足環(huán)保的要求。迄今為止，實(shí)際測(cè)試證明免清洗助焊劑用于無鉛焊料焊接更好。
焊接設(shè)備：要適應(yīng)新的焊接溫度的要求，預(yù)熱區(qū)的加長或更換新的加熱元件、波峰焊焊槽，機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)裝置都要適應(yīng)新的要求，錫鍋的結(jié)構(gòu)材料與焊料的一致性（兼容性）要匹配。為了提高焊接質(zhì)量和減少焊料的氧化，采用新的行之有效的抑制焊料氧化技術(shù)和采用隋性氣體（例如N 2）保護(hù)焊技術(shù)是必要的。
廢料回收：從含A g的Sn基無鉛無毒的綠色焊料中分離Bi和Cu將是非常困難的，如何回收Sn—A g合金又是一個(gè)新課題。所以，無鉛焊料的實(shí)用化進(jìn)程是否順利，與焊接設(shè)備制造商、焊料制造商、助焊劑制造商和元器件制造商四者間的協(xié)調(diào)作用有很大關(guān)系，其中只要有一方配合不好，就會(huì)對(duì)推廣應(yīng)用無鉛焊料產(chǎn)生障礙。目前，焊接設(shè)備制造商已經(jīng)開始行動(dòng)，正在推出或即將推出適應(yīng)無鉛焊料焊接的回流焊爐?！ ?/div>
此外，采用無鉛焊料替代Sn／Pb焊料在解決污染的同時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)一系列新的問題。例如Sn／Pb系列焊料中，Sn與Pb對(duì)H、Cl等元素的超電勢(shì)都比較高，而無鉛焊料中A g、Zn、Cu等元素對(duì)H、Cl的超電勢(shì)都很低，由于超電勢(shì)的降低而易引起焊接區(qū)殘留的H 、Cl離子遷移產(chǎn)生的電極反應(yīng)，從而會(huì)引起集成電路元件短路?！?/div>
盡管當(dāng)前無鉛焊料的研究開發(fā)和應(yīng)用正走向深入研究階段，但根據(jù)世界各國的開發(fā)狀況來看，要在短時(shí)間內(nèi)研制出使用性能超過Sn—Pb共晶焊料的高性能的無鉛焊料是一件困難的事情。全面考慮成本、性能的新型無鉛焊料標(biāo)準(zhǔn)尚未制訂，其測(cè)試方法和性能綜合評(píng)定方法也有待于在繼續(xù)的研制及應(yīng)用過程中得以解決，還有許多工作要做。但是焊接材料的無鉛、無毒化方向已定，沒有別的選擇，只有行動(dòng)起來，投身到研究、開發(fā)、推廣應(yīng)用無鉛焊料的行列中去，為推動(dòng)我國無鉛焊料的開發(fā)和應(yīng)用，為地球村的環(huán)境保護(hù)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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