无铅焊的研究现状与发展趋势

1、无铅焊的研究现状与发展趋势姓名学号教师 摘 要 在电子元器件的焊接中，焊料占据很重要的位置，锡铅合金是性能最好的焊接材料也是最廉价的，焊接质量和焊接可靠性都是满足需求的。但随着环保意识的增强和认识到铅对人类的危害，无铅焊走进了人类的视野。绿色环保的电子器件成为了人们的追求，成为世界主流。无铅焊的研究现状与发展趋势更值得我们关注，无铅焊的路还是很长的，有很多可以突破的难题摆在前方，等待学者去研究去超越。实现电子制造的全面无铅化，以减少环境污染，提升绿色制造竞争能力，以适应国内外市场对绿色电子产品的需求，是我国电子制造业以后势在必行的举措。关键词：无铅焊；绿色环保 1铅对人类的危害· 铅

2、是一种对人体危害极大的有毒重金属，铅与铅的化合物进入机体后会对人的神经、血液循环、内分泌等多个系统造成危害，若含量过高便会引起铅中毒。铅被广泛使用于各个行业，铅对环境的污染越来越重。通过食物、饮用水、空气等方式影响人类健康。金属铅进入人体后，少部分会随着身体代谢排出体外，其余大量则会在体内沉积。· 对于成年人，铅的入侵会破坏神经系统，消化系统，男性生殖系统且影响骨骼的造血功能，进而人出现头晕、乏力、眩晕、困倦、失眠、贫血、免疫力低下、腹痛、便秘、肢体酸痛、肌肉关节前、月经不调等症状。有的口中有金属味，动脉硬化、消化道溃疡和眼底出血等症状也与铅污染有关。·· 对于儿

3、童，由于大脑正在发育，神经系统处于敏感期，在同样的铅环境下吸入量比成人高出好几倍，受害极为严重，因此小孩铅中毒则会出现发育迟缓、食欲不振、行走不便和便秘、失眠；还有的伴有多动、听觉障碍、注意不集中和智力低下等现象。严重者造成脑组织损伤，可能导致终身残废。·铅进入孕妇体内则会通过胎盘屏障，影响胎儿发育，造成畸形，流产或死胎等。因此无铅焊的发展是必然的。·2无铅焊的发展进程1991和1993年：美国参议院提出将电子焊料中铅含量控制在0.1%以下的要求，遭到美国工业界强烈反对而夭折；1991年起NEMI, NCMS, NIST, DIT, NPL, PCIF, ITRI, JIE

4、P等组织相继开展无铅焊料的专题研究，耗资超过 2000万美元，目前仍在继续；1998年日本修订家用电子产品再生法，驱使企业界开发无铅电子产品；1998年10月日本松夏公司第一款批量生产的无铅电子产品问世；2000年6月：美国IPCLead-Free Roadmap 第4版发表，建议美国企业界于2001年推出无铅化电子产品，2004年实现全面无铅化；2000年8月：日本 JEITALead-Free Roadmap 1.3 版发表，建议日本企业界于2003年实现标准化无铅电子组装；2000年8月欧盟 Lead-FreeRoadmap1.0 版发表，根据问卷调查结果向业界提供关于无铅化的重要统计资

5、料；欧盟议会和欧盟理事会2003年1月23日发布了第2002/95/EC号关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质的指令，在这个指令中，欧盟明确规定了六种有害物质为：“汞（Hg）、镉（Cd）、六价铬（Cr）、铅（Pb）、聚溴联苯（PBB）、聚溴二苯醚（PBDE）”；并强制要求自2006年7月1日起，在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅的电子产品；（个别类型电子产品暂时除外）2003年3月，中国信息产业部拟定电子信息产品生产污染防治管理办法，提议自2006年7月1日起投放市场的国家重点监管目录内的电子信息产品不能含有铅、镉、汞、六价铬、聚合溴化联苯或聚合溴化联苯乙醚等。无铅化组装已成为电子组装产

6、业的不可逆转的趋势。3焊锡的种类按铅含量不同分为：1.有铅焊锡：由锡（融点232度）和铅（熔点327度）组成的合金。其中由锡63和铅37组成的焊锡被称为共晶焊锡，这种焊锡的熔点是183度。2.无铅焊锡：为适应欧盟环保要求提出的rohs标准。焊锡由锡铜合金做成。其中铅含量为1000ppm 以下。按焊锡使用方式不同可分为：1.锡线：标准焊接作业时使用的线状焊锡被称为松香入焊锡或线状焊锡。在焊锡中加入的助焊剂是由松香和少量的活性剂组成。2.锡条：焊锡经过熔解-模具-成品，形成一公斤左右长方体形状。工艺上较制作锡线简单。注：O适用；X不适用。无铅焊锡熔点温度范围名称 成分 熔点sncu系列 sn0.7

7、5cu 227snag系列 sn3.5ag 221snagcu系列 sn3.5ag0.75cu 217219sn3.0ag0.7cu 217219sn3.0ag0.5cu 217219无铅焊锡及其问题上锡能力差无铅焊锡的焊锡扩散性差，扩散面积差不多是共晶焊锡的1/3。熔点高无铅焊锡的熔点比一般的sn-pb共晶焊锡高大约3444度，这样电烙铁烙铁头的温度设定也要比较高。 烙铁头的使用寿命变短 烙铁头的氧化在使用无铅焊锡时，有时会造成烙铁头表面黑色化，失去上锡能力而导致焊接作业中止。烙铁头温度设定在400度的时候没有焊接作业，电烙铁通电的状态长时间的放置。烙铁头不清洗。等等时，氧化的情况比较容易出

8、现。无铅焊锡使用时的注意点 烙铁头的温度管理非常重要有温度调节的电烙铁，根据使用的焊锡,选择最合适的烙铁头温度设定非常重要。工作以前，用烙铁头测温计先测定烙铁头的温度很重要。 使用与厂家(例白光工具)配套的正宗烙铁头假冒烙铁头，孔径（放入发热芯）有大有小，套管的厚度也各有差异这些都造成电烙铁的性能不能发挥，有时会造成电烙铁故障的原因。 使用热回复性等热性能好的电烙铁在使用无铅焊锡进行焊接作业时，由于对零件的耐热性，安全作业的考虑，烙铁头的设定温度一般希望在350度370度以下。近几年来有关无铅焊料的研究工作发展很快，世界上各大著名公司、国家实验室和研究院所都投入了相当的力量开展无铅焊料的研究。

9、国内外的已有的研究成果表明，最有可能替代SnPb焊料的无毒合金是Sn基合金。无铅焊料主要以Sn为主，添加A g、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金属元素。通过焊料合金化来改善合金性能，提高可焊性。由于SnIn系合金蠕变性差，In极易氧化，且成本太高；SnSb系合金润湿性差，Sb还稍具毒性，这两种合金体系的开发和应用较少。实际上二元系合金要做成为能满足各种特性的基本材料是不完善的，目前最常见的无铅焊料主要是以SnA g、SnZn、SnBi为基体，在其中添加适量的其它金属元素所组成的三元合金和多元合金。如果单纯考虑可焊性，能替代SnPb共晶焊料的无铅焊料很多，如下表所示。综观SnA g、SnZn、S

10、nBi三个体系无铅焊料，与SnPb共晶焊料相比，各有优缺点。SnA g系焊料，具有优良的机械性能，拉伸强度，蠕变特性及耐热老化性都比SnPb共晶焊料优越，延展性比SnPb共晶焊料稍差，但不存延展性随时间加长而劣化的问题。SnA g系焊料，熔点偏高，通常比SnPb共晶焊料要高3040，润湿性差，而且成本高。熔点和成本是SnA g系焊料存在的主要问题。SnZn系焊料，机械性能好，拉伸强度比SnPb共晶焊料好，与SnPb焊料一样，可以拉制成线材使用；具有良好的蠕变特性，变形速度慢，至断裂的时间长。该体系最大的缺点是Zn极易氧化，润湿性和稳定性差，且具有腐蚀性。SnBi系焊料，实际上是以SnA g（C

11、u）系合金为基体，添加适量的Bi组成的焊料合金，合金的最大的优点是降低了熔点，使其与SnPb共晶焊料相近；蠕变特性好，并增大了合金的拉伸强度，但延展性变坏，变得硬而脆，加工性差，不能加工成线材使用。总之，目前虽然已开发出许多可以替代SnPb合金的焊料，但尚未开发出一种完全能替代SnPb合金的高性能低成本的无铅焊料。为了实现保护环境和提高产品质量为目的，并考虑电子组装工艺条件的要求，无铅焊料应满足以下条件：熔点低，合金共晶温度近似于Sn63Pb37的共晶温度183，大致在180220之间；无毒或毒性很低，所选用的材料现在和将来都不会污染环境；热传导率和导电率要与Sn63Pb37的共晶焊料相当；具

12、有良好的润湿性；机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能；要与现有的焊接设备和工艺兼容，可在不更新设备不改变现行工艺的条件下进行焊接；与目前使用的助焊剂兼容；焊接后对各焊点检修容易；成本要低，所选用的材料能保证充分供应。这是研制开发无铅焊料的方向，要做到满足以上要求，有一定的难度，因此，对性能、成本均理想的绿色焊料的研制已成为研究的热点。电子组装焊接是一个系统工程，对无铅焊接技术的应用，其影响因素很多，要使无铅焊接技术获得广泛应用，还必从系统工程的角度来解析和研究以下几个方面的问题：元件：目前开发已用于电子组装用的无铅焊料，熔点一般要比Sn63Pb37的共晶焊料高，所以要求元件耐高温

13、，而且要求元件也无铅化，即元件内部连接和引出端（线）也要采用无铅焊料和无铅镀层。PCB：要求PCB板的基础材料耐更高温度，焊接后不变形，表面镀覆的无铅共晶合金材料与组装焊接用无铅焊料兼容，而且要考虑低成本。助焊剂：要开发新型的氧化还原能力更强和润湿性更好的助焊剂，以满足无铅焊料焊接的要求。助焊剂要与焊接预热温度和焊接温度相匹配，而且要满足环保的要求。迄今为止，实际测试证明免清洗助焊剂用于无铅焊料焊接更好。焊接设备：要适应新的焊接温度的要求，预热区的加长或更换新的加热元件、波峰焊焊槽，机械结构和传动装置都要适应新的要求，锡锅的结构材料与焊料的一致性（兼容性）要匹配。为了提高焊接质量和减少焊料的氧

14、化，采用新的行之有效的抑制焊料氧化技术和采用隋性气体（例如N 2）保护焊技术是必要的。废料回收：从含A g的Sn基无铅无毒的绿色焊料中分离Bi和Cu将是非常困难的，如何回收SnA g合金又是一个新课题。所以，无铅焊料的实用化进程是否顺利，与焊接设备制造商、焊料制造商、助焊剂制造商和元器件制造商四者间的协调作用有很大关系，其中只要有一方配合不好，就会对推广应用无铅焊料产生障碍。目前，焊接设备制造商已经开始行动，正在推出或即将推出适应无铅焊料焊接的回流焊炉。此外，采用无铅焊料替代SnPb焊料在解决污染的同时，可能会出现一系列新的问题。例如SnPb系列焊料中，Sn与Pb对H、Cl等元素的超电势都比较

15、高，而无铅焊料中A g、Zn、Cu等元素对H、Cl的超电势都很低，由于超电势的降低而易引起焊接区残留的H、Cl离子迁移产生的电极反应，从而会引起集成电路元件短路。4无铅焊接的技术难点无铅化焊接，包括波峰焊和回流焊。需要解决的技术问题是焊料和焊接两个基本问题。 1）焊料目前电子行业使用的焊料通常是63%的锡和37%的铅组成的，这种合金焊料共晶熔点低，只有183；铅能降低焊料表面张力，便于润湿焊接面；成本低。 无铅焊料是由哪些成分组成的呢？目前，国际上并无无铅焊料的统一标准。通常是以锡为基体，添加少量的铜、银、铋、锌或铟等组成。例如：美国推荐的锡、4%银、0.5%铜的焊料，日本推荐的锡、3.2%银

16、、0.6%铜的焊料。应该指出，这些焊料中并不是一点铅都没有，通常规定其含量小于0.1%。 使用无铅焊料带来的问题：熔点高（260以上），润湿差，成本高。 2）焊接由于焊料的成分和性能发生了变化，焊接过程中也出现了新的问题： 由于成分不同而出现焊料的熔点及性能不同，焊接温度和设备的控制变得比铅锡焊料复杂；熔点的提高对设备和被焊接的元器件的耐热要求随之提高，对波峰炉材料、回流焊温区设置提出了新的要求；对被焊接的元器件如LED、塑料件、PCB板提出了新的耐高温问题；由于无铅焊润湿性差，要求采用新的助焊剂和新的焊接设备，才能达到焊接效果。要提高助焊剂的活性，延长预热区等措施；由于新焊料的成本较高，须设

17、法减少焊料损耗，采用充氮工艺等。3)助焊剂助焊剂为满足无铅焊料焊接的要求，需要开发新型的氧化还原能力更强和润湿性更好的助焊剂。新开发的助焊剂要与焊接预热温度和焊接温度相匹配，而且要满足环保的要求。迄今为止，实际测试证明，免清洗助焊剂用于无铅焊料焊接效果更好。 工艺温度在无铅回流焊接中，无铅焊锡影响工艺温度，因此影响到加热温度曲线。为了以较低的维护停机时间保持机器的清洁，需要一个适当的助焊剂流动管理系统。冷却系统无铅焊接中推荐一个受控的冷却系统，因为一旦炉子具有适当的冷却能力，液化以上的时间，晶粒结构和板子出来的温度都可以界定自然需要更多的室温风扇。而推荐使用的是一个高级的直接空气、完全集成的、

18、排热系统。这个系统设计用于以较低的氮气消耗提供良好的冷却。 助焊剂的选择由于较高的工艺温度，无铅焊接要求与含铅焊锡不同的助焊剂。助焊剂类型决定哪一种预热配置最适合干该工艺。选择一种具有快速变换配置灵活性的波峰焊接机器。预热模块应该容易交换，以找到对每个个别工艺的最佳安排。焊脚和空洞在无铅焊接中，会发生一些特别的缺陷，诸如焊脚开起。焊脚开起的主要原因是合金化合物、铜焊盘、板厚度与材料的温度膨胀系数的不匹配。5无铅焊接技术的工艺特点 电子产品制造业实施无铅化制程需面临以下问题； 焊料的无铅化； 元器件及PCB板的无铅化； 焊接设备的无铅化、焊料的无铅化。 到目前为止，全世界已报道的无铅焊料成分有近百种，但真正被行业认可并被普遍采用是Sn-Ag-Cu三元合金，也有采用多元合金，添加In，Bi，Zn等成分。现阶段国际上是多种无铅合金焊料共存的局面，给电子产品制造业带来成本的增加，出现不同的客户要求不同的焊料及不同的工艺，未来的发展趋势将趋向于统一的合金焊料。 熔点高，比Sn-Pb高约30度； 延展性有所下降，但不存在长期劣化问题； 焊接时间一般为4秒左右； 拉伸强度初期强度和后期强度都比Sn-Pb共晶优越； 耐疲劳性强； 对助焊剂的热稳定性要求更高； 高Sn含量，高温下对Fe有很强的溶解性。 6发展趋势 我国已成为电子组装业的大国，随着全球经济一体化和我国进入WTO ，禁铅令对