无铅焊料的开发与应用.doc

无铅焊料的开发与应用 　　摘　要：工业垃圾对环境的污染已成公害，一些国家和地区已明确提出禁止和削减使用有害物质，包括含铅焊料。本文介绍对环保有利的无铅焊料，重点说明无铅焊料的技术现状和有效的使用方法及再利用问题等。 　　一、无铅焊料的锡原料供应量 　　用无铅焊料替代有铅焊料所面临的首要问题就是锡原料的供应量。目前焊料的世界年产量为23万吨，广泛用于金属连接和表面处理镀覆等方面。焊料主成分锡的世界年产量为21万吨，其中6万吨作为焊料的原料使用。按照通常锡在焊料中占60%计算，每年新的焊料年产量应为10万吨，剩下的13万吨都是由残渣经再利用的焊料。 　　但是，无铅焊料并不能由含铅的再利用焊料来制造，所以必须用原料锡来制造。尽管无铅焊料的密度比原来的共晶焊料轻10%～20%，把重量减轻的因素考虑在内，但每年仍需要20万吨原料来生产无铅焊料。这个数字远远超过了目前焊料原料所使用的锡量。而且为避免铅的污染，在焊料替换时还要用锡来冲洗铅污染的焊料槽，所以又要用掉大量的锡。因此，世界各国为了顺利地引入无铅焊料的应用，都必须把锡的供给量提高一倍。 　　二、无铅焊料现状与有效使用方法 　　从多年来对无铅焊料的研究来看，其合金成分基本上如图１所示的组合，到目前为止，多数研究是通过改变含量来谋求高性能的优质材料，已经发现了若干个添加元素，对提高材料强度和连接特性有效，并有研究成果面世。 图1　焊料合金的组合 　　从现在来看，在以手机和笔记本电脑为代表的高密度双面安装(HDSMT)基板上，由于与之连接的BGA封装型IC、铝电解电容和大型连接器等耐热温度低，同时受到基板特性、器件配置和配线图形的制约，再加上目前的再流焊条件没有大的变化，所以尽可能使用与目前的熔点相近的焊料则是最理想的。因此，开发了以在锡中组合进银和铋，锌为主成分的合金焊料。但是，这些焊料除了满足融点低外，其它特性都不好，有时甚至不能使用。同时，还必须改进制造设备，并重新探讨连接基材的表面处理。还有，在再流焊与流动焊混合安装基板的生产上，对于热造成基板伸缩和翘曲，导致焊接处产生的应力，必须采取缓解措施。否则，将不能保证连接处的可靠性，并引来麻烦。 　　此外，在普遍使用的焊料槽中进行流动焊和浸渍焊所使用的焊料，如果能在现行的焊接温度下作业就行，即使是锡铜和锡银等熔点较高的合金，只要能保证流动性就可以使用。实际上，应根据焊料应用时的可靠性和成分变动以及杂质的混入来分析特性的变化，这是至为重要的。当然， 探讨这些内容需要一定的时间。 　　此外，对专利和成本的评价也不可欠缺，无论缺哪一个，都不能成为放心的永久使用的材料。因此，大的用户在决定成分上颇为慎重，然而时间不等人，从合金成分来重新评价无铅焊料与截止用含铅焊料的期限的进程不相符合。所以，开始使用的仍是那些为数很少的有实际使用价值的焊料。 　　表1汇总了正在研究进展的无锡焊料，下面分别加以说明。 　　Sn-Ag系焊料由来已久，国外研究探讨事例很多。不仅探讨了强度与延展率均衡的高可靠性的材料Sn-Ag-Cu系焊料，还主要探讨了与共晶相近的焊料成分Sn-Ag-Bi系焊料，同时还探讨了相关的再流焊技术。焊膏的特性受无铅化影响不大，现有环境下就可使用，但必须如图２所示的再流焊曲线那样，把加热温度提高到240℃左右。 表1　典型的无铅焊料的特征 合金系 名称 主成分 熔　点(℃) 抗拉强度100mm/min 扩展率(%) 润湿性(大气中) 锡银系 Sn96 Sn/Ag 约221 4.7kgf/mm2 33 良好 锡银铜系 Sn96Cl Sn/Ag/Cu 约217 5.3kgf/mm2 27 良好 锡银系 Sn100C Sn/Cu/Ni 约227 3.3kgf/mm2 48 良好 锡铋系 Bi57 Sn/Bi 约139 7.6kgf/mm2 33 良好 锡铋锑系 LF-B2 Sn/Bi/Sb等 约144-200 8.2kgf/mm2 4 良好 锡银铋铜系 LF－C2 Sn/Ag/Bi/Cu 约208-213 5.1kgf/mm2 25 良好 锡锌系 LF-A Sn/Zn 约199 -- -- gi vb 锡锑系 95A Sn/Sb 236-243 4.7kgf/mm2 38 良好 1)锡银铜系(Sn96C)及锡银铋铜系(LF-C2)是通过美国某研究所检验的产品；2)锡银系(Sn100C)在国内外32个国家申请专利；3)润湿性试验使用RMA免清洗助焊剂。 表1　典型的无铅焊料的特征 图2　SC96C1无铅再流焊曲线 (推荐) 　　通常在再流焊的连接断面，不知是因为焊料熔融时的粘性大，还是因为内部产生的气体多，总之在焊角处和连接界面发现许多的气泡（空洞）。表２所示的SN96CI是在Sn-Ag-Cu系焊料中加入少量