无铅焊锡制程及其特性.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除无铅焊锡制程及其特性无铅焊锡 锡/铅(Tin/Lead)成分的焊锡是电子装配中最常用的焊锡，可是，在去年，整个工业出现一股推动力向无铅焊锡转换。其理由是人们越来越了解有关铅的使用及其对人类健康的不良影响。 与铅有关的健康危害包括神经系统和生育系统紊乱、神经和身体发育迟缓。铅中毒特别对年幼儿童的神经发育有危害。已有法律来控制铅的使用，例如，铅在铅锤、汽油和油画中的使用有严格的规范，在美国从1978 年起，铅在消费油画中的使用已被禁止，其它相关的法规在美国、欧洲和日本正在孕育之中。 表一显示了铅在各种产品中的使用量，蓄电池占铅用量的80%，电子焊锡大约占所有铅用量的0.5%，即使铅在电子焊锡中的使用被禁止，也不能解决全部的铅中毒问题。可是，电子焊锡中的0.5%的铅数量上还是可观的。表一、铅在产品中的消耗量产品消耗量(%)蓄电池80.81其它氧化物(油画、玻璃和陶瓷产品、颜料和化学品)4.78弹药4.69铅箔纸1.79电缆覆盖物1.40铸造金属1.13铜锭、铜坯0.72管道、弯头和其它挤压成型产品0.72焊锡(非电子焊锡)0.70电子焊锡0.49其它2.77 代替铅的元素 电子工业正在寻找无铅焊锡，能够取代普遍接受和广泛使用的锡/铅焊锡。研究与开发的努力集中在潜在的合金上面，这种合金要提供与锡/铅共晶焊锡相似的物理、机械、温度和电气性能。表二是可以取代铅的金属及其相对成本。表二、替代铅的材料及其相对价格铅的替代元素相对价格铅(参考值)1锑(Sb)2.2铋(Bi)7.1铜(Cu)2.5铟(In)194银(Ag)212锡(Sn)6.4锌(Zn)1.3除了成本之外，还必须了解考虑作为铅替代的元素的供需情况。如表三所示，含铋合金从可利用资源的出发点上是无希望的，现在可利用得铋供应可能被全部用完，如果将此合金广泛用于正在蓬勃发展的电子工业。表三、美国矿产局有关不同元素的世界用量及产量的数据 元素 世界用量(吨) 世界产量(吨) 剩余产量(吨) Ag13,50015,000 1,500Bi 4,0008,0004,000 Cu 8,000,000 10,200,000 2,200,000 In 80 to 100 200 100 Sb 78,200 122,300 44,100 Sn 160,000 241,000 81,000Zn 6,900,000 7,600,000700,000 注：现在世界焊锡消耗量 = 60,000 吨，或 6,600,000 升 从表二所显示的潜在替代金属的相对价格看，很明显，许多无铅焊锡将比其替代的锡/铅焊锡贵得多。例如，铟(In)是用来取代铅的主要元素之一，但它是一种次贵重金属，几乎和银一样贵。可是应该注意，所建议的焊锡合金的高成本在决定最终产品价格时，并不象最初所显示的那么重要。因为所需的量少，在装配中，和其它成本因素如：元件、电路板及装配相比，焊锡成本几乎不重要。所选合金的性能是非常重要的。无铅焊锡及其特性和温度、机械、蠕变、疲劳特性一样，熔化温度点是最重要的焊锡特性之一。表四提供了现时能买到的无铅焊锡一览表。表四、无铅焊锡及其特性无铅焊锡化学成份 熔点范围 说明 48Sn/52In 118 C 共熔 低熔点、昂贵、强度低 42Sn/58Bi 138 C 共熔 已制定、Bi的可利用关注 91Sn/9Zn 199 C 共熔 渣多、潜在腐蚀性 93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu 218 C 共熔 高强度、很好的温度疲劳特性 95.5Sn/3.5Ag/1Zn 218221 C 高强度、好的温度疲劳特性 99.3Sn/0.7Cu 227 C 高强度、高熔点 95Sn/5Sb 232240 C 好的剪切强度和温度疲劳特性 65Sn/25Ag/10Sb 233 C 摩托罗拉专利、高强度 7Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag 226228 C 高熔点 96.5Sn/3.5Ag 221 C 共熔 高强度、高熔点 应该注意到，无铅焊锡的化学成份还正在优化，以达到所希望的特性。表四中的焊锡化学成份可能在商业上购买的焊锡中有稍微的不同。例如，表五显示了一些从不同的供应商购买的焊锡品牌。表五、不同供应商的无铅焊锡焊锡名称 化学成份 熔点 说明 Indalloy 22777.2Sn/20In/2.8Ag187C 潜在的In/Pb不兼容性，要求对 PCB 焊盘和元件引脚无铅电镀 Alloy H 84.5Sn/7.5Bi/5Cu/2Ag 212C 液态温度太高，要求260C以上的波峰焊温度 Tin/Zinc/Indium 81Sn/9Zn/10In 178C 潜在的In/Pb不兼容性，要求对PCB焊盘和元件引脚无铅电镀 Castin 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.55Sb 215C 液态温度太高，要求260C以上的波峰焊温度 Tin/Silver/Copper 93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu 217C 液态温度太高，要求260C以上的波峰焊温度 含有高量铟(In)的无铅焊锡(如表五中第一种合金)有潜在的铟和铅的不兼容性，如果板面和元件引脚上有铅的话。为了得到真正的无铅工艺，如果使用含铟合金，则可能有必要在PCB上使用无铅表面处理。工业上正注重开发可替代的电镀层。例如Alpha Metal 的AlphaLevel闪燃银电镀，和Motorola的对板层和元件引脚的锡/铋电镀。从表四我们可以看到，无铅焊锡要不比锡/铅共晶合金的熔点低很多，要不高很多。表五所示大都是较高温度的无铅焊锡。当使用低温焊锡时，需要特殊的助焊剂，因为标准的助焊剂可能在低温下无活性。和低温焊锡有关的另一个温题是由于次共熔温度下，较低的流动性引起的润湿特性的减少。对低温应用，含铟焊锡正得到接受。一些公司正使用一种52In/48Sn的含铟焊锡，因为其较好的返工/返修特性。因为该合金的熔点在118 C(244 F)，返工是在低温下进行，一般不会引起温度损坏。如果印刷电路板是镀金作防氧化用，那么，含铟焊锡可用来防止金流失。另一种低熔点无铅焊锡是58Bi/42Sn。如果我们看看Sn/Bi合金的金相图，会发现其熔点在138 C。铋用于焊接合金中以达到低的焊接温度，但该合金一般显示出差的液化特性。表四中列出的许多其它合金，比锡/铅共晶的熔点183 C要高很多。如，锌/锡高温无铅焊锡的熔点为198 C。高熔点焊锡将和现在广泛使用的基板材料，如FR-4，不相融合。另外，返工不得不采用高温，将大大增加对板损坏的可能性。现时还没有混入式的无铅焊锡替代产品，虽然有些供应商把他们的焊锡描述成“几乎混入式的”。甚至这些要求返工的焊接烙铁的温度高达400 C(750 F)，这在某些方面的应用是一个太高的温度，可能引起潜在的温度损坏。还有，在波峰焊接中使用高熔点焊锡的关键问题之一是，增加电容断裂的可能性。波峰焊接温度需要保持在大约230245 C，高过锡/铅焊锡熔点大约4565 C。一种熔点为220 C的无铅焊锡，要求265280 C的波峰焊接温度，这增加了预热和波峰之间的温度差，增加了电容断裂的可能性。一般来说，几乎所有的无铅焊锡都比锡/铅共晶的润湿性能(扩散性)差，引起不良的焊脚。为了改善润湿性能，要求特别的助焊剂配方。无铅焊锡的疲劳特性也不太好，虽能在一份研究中，用高温95.6Sn/3.5Ag(表四中最后一种合金)进行温度循环后，没有观察到焊接点完整性的退化。理想的焊锡熔点应在大约180 C，这样回流温度为210230 C，波峰炉温为235245 C，手工焊接温度为345400 C(65