无铅化培训教材ROHS

1、 (the Restrition of the use of certain Hazardous Substauce in electrical and electronuc equipment )禁止在电气电子设备中使用特定有害物质指令第一部分：电子产品实施无铅化是一个系统工程第二部分： 无卤FR-4覆铜板“无铅”化第三部分： 对无铅化的理解和PCB相关考虑 第一部分电子产品实施无铅化是一个系统工程 长期以来，在机械、化工和电子等领域中，铅及其含铅物质，由于具有优良的机械、化学和电气特性，在地表内储藏量丰富，价格又便宜，因而在硫酸工业、巴比合金（以铅为主体的合金）、电缆、蓄电池和防X-射线等

2、范围得到了大量而广泛的应用。近五十年来，铅及其合金在电子产品中的PCB加工（电镀、HASL等）、焊接与组装（焊料、焊膏等）等领域内也得到了广泛地应用。 尽管铅及其合金（绝大部分是铅-锡合金）在电子产品的PCB工业（或电子产品行业）中所用的铅仅占全世界的铅耗用量的百分之二以内，但是由于电子产品的制造（特别是PCB和元组件的加工与焊接或组装等）使用，特别是废弃电子产品中的铅元素的污染与铅含量将随着电子产品的迅速发展而明显增加着。 如果这些含铅产品的制造加工、特别是废弃的电子产品处理不当（事实也证明了这个问题），铅及其铅离子就会渗透入土壤和污染水源，并以“食物”链（通过鱼、虾、蔬菜等）和直接（呼吸、

3、饮水等）进入人体内部，特别是极容易进入血液并积累起来，造成铅中毒。这种铅在人类中毒之前，大多呈现慢性症状隐匿不易觉察。当铅中毒之后：血浓度超标；通常会引起多动症、脾气急噪甚至攻击人；注意力短暂、嗜睡无精神、记忆力下降、智力底下甚至痴呆；消化系统常会引起食欲不振、反复腹痛、腹泻或便秘；造血系统表现为贫血、缺锌；还会引起反复呼吸道感染等，特别是对小孩影响更甚（还会引起发育迟缓等）。从而在20世纪90年代前后充分引起了人们的重视。 在20世纪90年代初，美国首先提出了无铅工艺并相应制定了一个标准来限制电子产品中的铅的含量，但主要是由于当时无铅（PCB加工及其焊接焊料）技术还不成熟，没有合适的取代品，

4、加上若按这样做，不仅电子产品的可靠性成问题，而且势必加大相关制造商的制造成本，结果无铅工艺及其相应的标准被暂停下来，但是这个研究工作并没有停顿起来，而是加大了对锡-铅体系的取代品的开发研究。近十多年来，先后开发成功可实用化且接近锡-铅体系性能与可靠性的锡-银-铜体系（如SAC305，即Sn-96.5/Ag-3.0/Cu-0.5）和锡-铜体系（如Sn-99.2/Cu-0.8）等，条件和时机已接近成熟。 于是，欧盟于2003年2月13日颁发了ROHS即禁止在电气电子设备中使用特定有害物质指令和WEEE即废弃电气电子设备指令的两个指令，并将在2006年7月1日起正式实施。接着，中国也相续进行了电子信

5、息产品污染防止管理办法和电子产品污染管理办法等的相关立法（草案）工作，以便控制国内电子产品加工、组装、使用和废弃等对环境的污染与危害，并鼓励和推动电子产品走绿色化的清洁生产与可持续发展的道路。这些指令等颁布和即将实施，意味着将对电子行业的和其它行业产生深远的影响，也意味着无铅等变革时代的开始与到来，需要有关的行业共同来大力改进与完善这项事业。 两个指令的核心内容：（一）2006年7月1日起，新投放市场的电气电子产品应不含铅、汞、镉、六价铬、多（聚）溴联苯（PBB）和多（聚）溴联苯醚（PBDE）等六种有害物质，而作为树脂阻燃剂的四溴双酚A（TBBPA）没有列人；（二）生产商负责回收废弃电气电子设

6、备的收集、分类和处理，并负担相关的费用；（三）处理废弃电气电子设备的机构应获得主管机关（部门）的许可，处理废弃电气电子设备的单位在存放和处理废弃电气电子设备时应符合WEEE附件三的要求。 从上述两个指令中，可看出：作为电子产品中最重要的部件之一PCB（或CCL基材）中用量最大的阻燃剂四溴双酚A（TBBPA），经过长期实践和反复完成的年科学试验表明是无害的，不在有害物质之例（列）。接着，欧盟又在2004年12月最新修订的危险评估报告中确认“四溴双酚A”对人体健康是安全的，而对环境危险评估将在2005年内完成，2005年7月在深圳的“覆铜板及印制电路绿色环保生产与四溴双酚A的应用研讨会”上，BSE

7、F主席Dr Raymond B Dawson又重申了这个观点，并指出四溴双酚A允许继续使用。从目前情况来看，对PCB或CCL的冲击是无铅化焊料问题而不是无卤化阻燃剂问题。因此，无铅化是目前和未来推动CCL材料、PCB生产和电子组装等行业变革与发展的热点。同时，无铅化电子产品是指电子产品（含原辅材料、PCB、元器件）在制造、加工、焊接、组装和使用等过程中不含铅成分的产品（即：实际规定质量比的Pb0.1%wt） 。RoHS限制的化学物质含量 特定有害物质 最大容许量 Hg(水银) 0.1wt Cd(镉) 0.01wt Pb(铅) 0.1wt Cr(VI) (六价铬) 0.1wt PBB(多溴联苯)

8、 0.1wt PBDE(多溴联苯醚) 0.1wt RoHS指令记载的规制对象外项目 物物质质 规规制制外外项项目目 水银 一根灯管不超过5mg 范围的小型荧光灯管的所含水银. 一般用途的直管荧光灯中不含超过以下量的水银, 氯化磷酸盐灯管10mg、 标准寿命的三磷酸盐灯管5mg 长寿命三磷酸盐灯管8mg 特殊用途垂直荧光灯管包含的水银 其它灯管包含的水银 铅 阴极管、电子产品以及荧光灯玻璃中包含铅 钢材中包含的0.35wt以下的铅、 铝材中包含的0.4wt以下的铅、铜合金中包含的4wt以下的铅 高熔点焊锡中含有的铅(即含铅率超过86的锡/铅焊锡合金) 主机，存储器及其周边系统的焊锡中包含的铅（2

9、010 年止） 开关、信号机、传输网络、基础装置以及通信网络的焊锡中含有的铅 电子金属陶瓷产品中包含的铅（例如：压电装置） 镉 指令中禁止的镉表面处理除外 六价铬 吸收型冷藏设施的碳素钢冷却系统的防锈用六价铬 无铅焊料与传统SnPb焊料相比，不仅组成体系不同，而且在各种性能上有着很大的差别。同时，传统SnPb焊料体系已经应用50多年的历史了，有着成熟的应用技术工艺和丰富的使用实践经验，而无铅化焊料，尽管研究了20多年，到目前为止，比较成熟的或勉强能取代SnPb焊料体系的，主要是SnAgCu（SAC305）焊料体系，然而无铅焊料的实践应用，无论从应用时间，还是从由于应用领域与产量都是不多或者是有

10、限的。因此，我们必须对其深入加以了解，掌握其应用中的基本特点、问题和发展方向，所以无铅焊料是电子产品整个无铅化工程的关键部分。同时，按无铅化焊料的诞生、发展和应用等过程来看，无铅化焊料还是个“新生事物”，总需要有一个从无到有、从小到大、从弱到强的发展壮大的过程。但是，这个无铅焊料及其焊接的“新生事物”对整个电子产品的制造、加工、焊接、组装、检测和使用等所带来的冲击和影响的程度，毫无疑问会给我们带来新的认识、新的内容、新的方向和新的问题，必须加以了解和掌握，知己知彼，做好相关的工作，才能把握与控制无铅化生产产品主动权。 电子产品采用Sn/Pb（63/37或6070/4030）焊料已有50多年的历

11、史了，形成了非常成熟的技术工艺和丰富的生产实践经验，因此要取代传统的有铅焊料无铅焊料必须符合或者接近有铅焊料的一些基本特性和要求。 其中，最重要地是： （1）无铅焊料组成的合金低共（晶）熔点； （2）无铅焊料的可焊性（润湿性）； （3）无铅焊料的可靠性（形成的电子产品的可靠性）。 （1）无铅焊料组成的合金低共（晶）熔点 从电子产品的焊接和组装等工艺技术条件的要求考虑，不能破坏电子产品中的元器件、组装件和PCB基板等的基本特性，因此无铅焊料组成的合金低共（晶）熔点应尽量接近传统SnPb焊料合金低共（晶）熔点183，在焊接时，过高的无铅焊料合金低共（晶）熔点温度将会破坏电子产品中的元器件、组装件和

12、PCB基板等的基本特性。这是因为有如下诸多理由来决定了的 : (a) 元器件、组装件和PCB基板在高温焊接时的适应性。由于长期以来采用传统的SnPb合金焊料体系，因此所建立起来的元器件、组装件和PCB基板等的耐热温度是与SnPb焊料合金体系的焊接条件与要求相适应的。如果无铅焊料合金的低共熔点温度过高（或远超过183），这意味着其焊接温度也会远超过SnPb焊料合金的焊接温度，当无铅焊料的焊接温度超过元器件、组装件和PCB基板的耐热温度时，则意味着不能保证（保持）焊接组装后的元器件、组装件和PCB基板等的基本性能。 从目前来看，可以取代传统SnPb焊料的最佳无铅焊料组成为SnAgCu合金体系，其低

13、共（晶）熔点为217，高出SnPb焊料合金的低共（晶）熔点34。因此无铅SnAgCu合金焊料的焊接温度也相应得高出2040之间。为了适应无铅化焊料的低共（晶）熔点温度的提高，对于耐热性能较差的某些少数元器件、组装件和PCB基板等应及时进行改进与提高，如常规的PCB基板所用的普通FR4基材，其环氧树脂的分解温度（Td）太低，大多为310左右，必须改进并提高到350左右，才能适应目前无铅化焊料的焊接条件的要求。对于耐热性能较差的元器件、组装件和PCB基板，可以采用比传统SnPb焊料体系低共（晶）熔点温度低的无铅焊料进行焊接，如SnBi（58%wt）焊料合金的低共（晶）熔点为139，但由于SnBi焊

14、料合金的性能决定着它仅适应于低成本、代档次或可靠性要求不高的低档电子产品的领域。 (b) 焊接设备与设施在高温焊接时的适应性。目前绝大多数的焊接设备和设施是以传统的Sn-Pb合金焊料的焊接温度与条件来建立的。同理，由于无铅化焊料的低共(晶)熔点温度的提高， 随之而来必须提高焊接前的预热温度与时间、焊接的最高温度与时间等， 这就意味着必须提高无铅焊料的焊接设备的耐热性能、甚至耐腐蚀性能 (如无铅焊料会明显腐蚀不锈钢操，因而要改用钛钢材料等)和相应的设施条件。因此，很高的无铅合金焊料低共（晶）熔点会受到目前大多数现有的生产加工、焊接、组装设备与条件的制约，同时对电子产品性能、可靠性和成本等各方面都

15、是不利的 。（2）无铅焊料组成合金的可焊性（湿润性） 从电子产品的焊接工艺条件的基本要求上，最重要的是要求无铅焊料具有好的可焊性，也就是说在焊接温度下，熔融的无铅焊料对元器件的引脚（或凸块等）和PCB上的焊盘（垫）应具有良好的润湿性，只有良好的湿润性才能得到良好的可焊性的焊接点，这是非常重要的。 无铅焊料的可焊性的好坏是指在焊接温度下润湿性程度而言的。而无铅焊接温度下的润湿性好坏是有其表面张力（参见表3）大小来决定的，表面张力越大，其润湿性就越差，可焊西就越好。 因此，无铅焊料在焊接温度下润湿性，从而保证其焊接性。尽管提高焊接温度可以降低无铅焊料的表面张力和提高润湿性，但是，过高的处理温度和焊

16、接温度对于电子产品的整体可靠性是非常不利的，而采用添加助焊剂可以改善焊接的表面张力和可焊性，但它仍然是十分有限的（在传统Sn-Pb焊料的焊接中已经采用，不可能再降低表面张力，相反，由于无铅焊料的焊接温度更高会破坏助焊剂而失去降低表面张力的助焊剂作用，要开发和采用更耐高温的助焊剂，如300），表面张力和可焊性的大小主要取决于无铅焊料本身的组成与特性的 。（3）无铅焊料的焊接点可靠性 影响电子产品可靠性的因素是非常多的，而无铅焊料所形成的焊点的可靠性是其中最重要的因素之一: （a）焊点焊料的耐热疲劳强度。焊点的可靠性主要是由焊料本身的机 械-物理特性来决定的，特别是焊料所形成的焊点的耐（抗）热疲劳

17、强度 大小是十分关键的，就是说焊料不仅要有能够与元器件的引脚和PCB上 焊盘（垫）金属表面形成良好的结合力，而且焊料本身还有应具有良好 的耐（抗）热疲劳强度，焊点总是不断地受到热的冲击，避免不了要发 生“热胀“，“冷缩”现象，加上由于元器件的引脚的CTE（热膨胀系数） 和PCB的X-Y方向CTE之间的差别，在焊点内的焊料层必然由“热胀”或“ 冷缩”而形成残余（剪）应力（俗称为热应力）。当这种残余应力大小（特别是超过）焊料的耐疲劳强度时，便会产生焊点处断裂，威胁着焊 点的可靠性 。 （b）焊点焊料的结合强度。在焊点处的结合强度是指元器件引脚金属表面与焊料之间、焊料与PCB焊盘（更确切地说应是PC

18、B焊盘上的金属表面，可以说Cu、Au、Sn、Ag、Ni等）之间的结合强度。同理，也由于焊点处的CTE差别在焊接和随后的使用工程中的“热胀”、“冷缩”等引起的残余应力（或热应力），当这种残余应力元器件的引脚金属表面与焊料之间的结合力、或者焊料与PCB焊盘金属表面之间的结合力时，在焊点的元器件引脚金属表面处或PCB焊盘上金属表面处,便会发生剥离现象而影响可靠性 。 （c）焊点焊接的完整性（润湿性的表现）。这是指焊点处的焊接缺陷率程度而言。大家知道，焊点处的焊接缺陷与焊料类型、组成和生产（设备、操作等）条件等有关。在这里主要是指焊料本身的物理特性来说的，特别是指焊料在焊接温度下的表面张力（或润湿性）

19、大小关系更大，正如前面可焊性一节中所述的那样，焊料在焊接时的表面张力越大，焊料的湿润性就越差，则焊接的焊点的完整性就越不好，如焊点不饱满、空洞、剥离、脆裂等。由于无铅焊料的表面张力，因而出现这些缺陷的几率和程度就较大，可从下面有关章节中得到答案或理解。 二十年来，欧美、日本等对无铅焊料体系进行了系统的研究和开发，到目前为止，已经取得许多成果和进步，某些体系的性能已经接近有铅（Sn-Pb）焊料的特性，如Sn-Ag-Cu体系的SAC305等是目前最有可能取代Sn-Pb体系的无铅焊料，并在工业电子产品开始得到了应用，尽管在航天、航空和国防等高可靠性的领域内，有铅（Sn-Pb）焊料还要继续使用一段时间

20、，但是，随着时间的推移和无铅焊料性能的不断改进，无铅焊料也一定会应用带这些高可靠性的领域上的。而对于低档次的民用电子产品可以采用低共（晶）熔点和性能较差的无铅焊料，在发达的欧美、特别是日本已经开始应用推广了。这些成果和进步已经表明：2006年7月1日起电子产品实施无铅化已经成为现实，全球无铅化电子时代已经到来了。 （1）无铅焊料的类型 以锡（Sn）金属为基础的无铅焊料可分为二元体系、三元体系、甚至四元体系等，表1列出的是目前认为有应用价值的无铅焊料成分和组成情况 。表表 1 无无铅铅焊焊料料的的类类型型、合合金金组组成成和和低低共共（晶晶）熔熔点点 二元体系 低共（晶）熔点（） 回 （再） 流

21、焊接温度 （） 95Sn/5Sb（锑） 238 260280 99.3Sn/0.7Cu 227 250270 96.5Sn/3.5Cu 221 250270 96.5Sn/3.5Ag 217 240260 91Sn/9Zn 198 220240 97In/3Ag 143 170190 42Sn/58Bi 139 160180 48Sn/52In(铟) 118 140160 63Sn/37Pb（属有铅系） 183 210240 三元或四元体系 95Sn/3.5Ag/1.5In 223 250270 96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu 217 240260 95.2Sn/3.5Ag/0.8Cu/

22、0.5In 212 235255 91.8An/4.8Bi/3.4Ag 210 230250 77.2An/20In/2.8Ag 192 220240 从表1中可以看出无铅焊料类型：到目前为止，研究、实验和试用的二元体系主要集中于Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn和SnBi等四个系列上，而从焊接性能（可靠性）和可靠性角度看，最好使用价值的应是三元体系的SnAgCu（SAC305，其组成为96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu，wt）体系 。（2）无铅焊料的基本特性 实际上，表1不仅列出无铅焊料的类型，而且也列出了他们最基本特征-低共（晶）熔点和要求的回（再）流焊温度（通常应比低共熔点提高2040

23、）。由于各种无铅焊料的研究不长，试用不多，使用（即批量生产）极少，大多还处于改进和在开发之中，加上相关的标准还没有指定出来或正在制定之中（一般说来，标准的出台是在产品实验和应用到一定时间之后才能制定出来的），所以有关无铅焊料的基本特性还没有完全统一起来，报道的也不多且特性相差甚远。表2列出的二元体系无铅焊料的基本特性大有关文章报道的综合数据 。 正如前面所述，目前的无铅焊料，从可焊性和可靠性等各方面综合结果看，最有希望并能取代有铅焊料（系指传统的Sn-Pb体系）的类型与组成应是三元体系的96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu（又可写成SAC305）。各种性能（化学、物理和机械等）都处在其他无铅焊

24、料体系之上。因此，我们拿SAC305和传统63Sn/37Pb组成的有铅焊料进行比较。具体情况参见表3 性能 类别 SAC305 63Sn/37Pb 备注 低共（晶）熔点 217 183 前者高出 34，则焊接温度需提高2040 表面张力（达因/厘米） 550 （230） ； 471.8 （240） ；460（260） 470 （230） ； 396 （240） ；380（260） 前者表面张力高出约 80 达因/厘米，则润湿性较差，易生裂缝缺陷等 熔 点 焊 料 与Cu 面接触角 44 11 前者接触角大三倍，因此润湿性差，易露铜等缺陷 焊接前预热温度 接近 200 150左右 前者预热高 5

25、0左右，这对元器件和基板皆不利 高温焊接温度 250270 220250 前者至少20，特别不利于元器件与基板的可靠性（见下述各项） 熔融态停留时间 90 秒 60 秒 前者不仅焊接温度高，而且停留时间长，这也是对 PCB 基板和元器件造成损害的重要原因 焊料助焊剂 焊接时挥发大、稳定性差,形成焊渣多 焊接时稳定性好,挥发少,焊渣也少 应开发大于 260(或 300左右)的助焊剂体系 湿润时间 2 秒 0.6 秒 前者润湿差,要延长高温焊接时间,才能得到较满意的焊点 焊接温度曲线 升温速度 3/S；降温速度 6/S 升温和降温速度相同为 3/S 前者冷却速度太快，易造成焊点微裂缝、气泡等 焊点

26、特性 抗热疲劳良好，但焊点不易饱满、结合力较差、各种缺陷多，可靠性较差 抗热疲劳较差，但焊点饱满、结合力良好、各种缺陷少，可靠性高 前者虽耐疲劳强度良好，但表面张力大、润湿性差造成各种缺陷多 从目前的无铅焊料和Sn-Pb焊料的焊接性能与效果来看，Sn-Pb焊料的焊接性能与效果仍然好于无铅焊料的焊接性能，主要性能比较见表4 。主要性能 SAC305 63Sn/37Pb 焊接温度 高 低 表面张力 大 小 润湿性 差 好 焊接点外观 饱满光滑 粗糙、微孔 桥接、挂锡、拉尖等 多并易发生 少 氧化（量） 易发生（多） 少 焊接故障几率 多 少 焊接结合强度 低 高 焊料抗热疲劳强度 良好 较差 综合

27、焊接可靠性 较差 良好 从表3和表4的无铅焊料（SAC305）和有铅焊料（63Sn/37Pb）的主要特性比较中可以看出，除了无铅焊料SAC305的抗热疲劳强度较好外，其它性能只是以不同程度接近传统的有铅焊料，但是比才传统的有铅焊料（63Sn/37Pb）的性能来得差。这表明：无铅焊料要完全取代传统的有铅焊料、特别是在高可靠性要求的航天、航空和国防军事领域还有时日，但在民用、工业用等的电子产品领域肯定会从有铅焊料过渡到无铅焊料上来，并必然全面的实施起来；而无铅焊料会在实施过程中，通过“实践、发现、改进”的良性循环得到发长进步，最终在各个领域中必将得到全面地推广和应用 。 从上述的无铅焊料的提出、无

28、铅焊料及其特性中得知，仅以目前无铅焊料的试用和有关报道来看，无铅焊料的焊接，不仅要研究解决自身的特征问题，而且更要研究无铅焊料焊接对电子产品实施无铅化带来的整个系统工程的影响问题。由于无铅焊料还没有正式实施，现有的报道大多是研究部门（如高校、研究所、大企业集团）的先行者和评论者等的报告与论文，但为数也不多，可能是由于市场竞争需要或先行实施无铅化应用和经验（特别是整个系统工程的相互关系）等还有限的缘故。 传统的电子产品的焊接方法主要有三种，即波峰焊接、回（再）流焊接（红外焊接、热风焊接、汽相焊接等）和手工焊接。尽管无铅焊料的焊接还必须延续这些焊接方法，但是，就目前无铅焊料的焊接来看，最关键的有三

29、大问题：（一）是无铅焊料合金组成的低共（晶）熔点偏高；（二）是无铅焊料合金润湿性差，焊接需要有更高的焊接温度和更长的高温停留时间；（三）是无铅焊料焊接后的焊点（或焊接）的可靠性问题。 是无铅焊料合金组成的低共（晶）熔点 从目前的无铅焊料可实用性角度来看， 大多数的无铅焊料合金组成的低共（晶）熔点是很高的，如现在最佳的SAC305低（晶）熔点为217，比起传统的63Sn/37Pb有铅焊料的低共（晶）熔点（183）高出34。按照传统Sn-Pb焊料合金的长期应用实践与经验，焊料的焊接温度要高出焊料合金的低共（晶） 熔点4060左右。这就意味着无铅焊料（SAC305和SAC405）的焊接温度比传统的6

30、3Sn-37Pb焊料的焊接温度还得提高2040之间。同样，对于所焊接的元器件、PCB等的预热温度也得相应提高温度（目前大多提高50左右），更高的预热温度和焊接温度、更长的高温焊接时间和更快的冷却速度等对元器件、PCB基板都带来了灵感大的考验与挑战，如图1所示 无铅焊料合金（SAC305为例）在高温熔融时，由于表面张力比传统63Sn-37Pb焊料来得大（见图2），因此其润湿性能较差，其润湿时间要长，如在230260之间，无铅SAC305焊料的焊接润湿时间是传统Sn-Pb焊料的23倍（见图3）。这就意味着：无铅SAC305焊料的焊接温度不仅要有更高的温度（2040），而且在高温焊接的停留时间也要长

31、（大约要再增加1/3的时间），才能获得较满意的焊接效果。同时，高温焊接后的冷却速度应比传统Sn-Pb焊料焊接后的冷却速度快一倍才行，否则会使焊点的润湿性（或饱满程度）变差和产生裂缝等，但快速冷却也会容易引起微空洞等，只能采取折衷的方案。 无铅焊料的润湿性较差和高温焊接需要停留时间较长的根本原因是由于这些无铅化焊料在焊接的高温下具有较大的表面张力的结果,因为表面张力是使熔融的无铅焊料的液体表面缩小(即反抗表面扩展)的一种力,也就是说是反抗焊接润湿性能的,因此表面张力大是无铅焊料的润湿性较差的主要原因,同时 ,也正因为无铅焊料的表面张力大,为了保持焊接的焊点的完(饱)满性,从而必须采用高温下快速地

32、冷却(一般为6c/s),下来,以便能满足这种要求,而采用常规Sn-Pb焊料的缓慢的冷却速度的（一般为3C/s）,不仅润湿性差,而且会带来更多的焊点缺憾,当然,更快冷却速度可以得到很好的润湿性焊点,但是会引起更大大热应力问题，所以通过实验兼顾各种性能而采用的折中方案是最科学的。 (1) 无铅焊料的焊接点可靠性。 从目前无铅焊料的实验、试用和报道等来看,无铅焊料的焊接点在抗热疲劳性能(强度)较优于传统Sn-Pb焊料外,其他的性能皆劣与传统Sn-Pb焊料所形成的焊接点, 无铅焊料所形成的焊接点比起传统Sn-Pb焊料主要有如下不足和缺陷 ： 易于形成微空洞(micro-voids)。这些微空洞主要发生

33、在PCB焊盘(垫)表面与焊接接触的界面处 (见图4)， 尤其是铜焊盘的铜与锡界面之间将较为严重，因此焊盘上涂覆有OSP，化学镀银，化学镀锡等是较易于形成微空洞的，这些涂(镀)覆层很薄而仅仅是保护铜表面(防氧化)作用， 在焊接时无铅焊料与铜表面发生作用， 而热风整平(HASL或 HAL)和化学镍/金与无铅焊料的界面处，在焊接时引起的微空洞是较少的，主要原因是无铅焊料的表面张力大，再加上0SP,化学银,化学锡和化学镍/金的涂(镀)覆层总会含有不同程度微量有机物(主要来自添加剂)， 两者的共同左右都会引起有不同程度的微空洞存在 。 无铅焊料焊接点处的微空洞是指焊料与焊盘界面处的微空洞，其空洞最大直径

34、可达40um，危害是很大的，它关系到焊接的可靠性问题。因为：（a）焊料与焊接界面处的空洞就意味着接触面积减少了，由于焊接点的结合力大小是由结合强度和接触面积来决定的，也就是说焊接点的结合力减少了，结合力减少的程度将取决于微空洞的多少；（b）随着PCB等的高密度化的发展，焊接点和焊盘的接触面积将越来越小，也就是说焊接点的结合力也越来越小（假设焊料与焊盘的结合强度不变），如果这些微空洞的仍然存在，则其结合力将变得更小；（c）这些微空洞的存在也是焊接点可靠性潜在的危险因素，在产品使用过程中，由于环境条件（特别是温度变化）的变化，使这些微空洞发生变化（如热胀冷缩）形成内应力，从而削弱或破坏结合力；（d

35、）这些微空洞甚至可祸藏或滋生有害气体与物质等，当然也会损害焊接点的结合力。这些微空洞影响焊接的可靠性主要表现在焊接外焊料与焊盘虚（假）焊、剥离、断裂等现象，好在无铅焊料具有较好的抗热疲劳强度，较少的微空洞存在仍然可以保证可靠性所必须的结合力的 。 从无铅焊料在焊接中会出现较多的微空洞结构，并且主要存在于焊盘的 铜表面与焊料的锡的界面之处。因此，产生这些微空洞的原因，除了上述 理由外，还与在制板上的铜表面状态和无铅焊料的锡特征等有关。对于在制 板铜表面来说主要是表面粗糙度和清洁性方面，很显然较小的粗糙度和清洁 的铜表面是有利于降低微空洞机率的，因此PCB的焊盘表面应该尽量降低粗 糙度和提高表面清

36、洁度。 但是，我们还应该看到无铅焊料不仅含有更多的锡（比传统Sn-Pb焊料的 Sn含量），而且它的焊接是在更高的熔融温度和更长的时间下进行的，这就 意味着锡和铜之间形成的界面合金化合物（IMC）会更加严重， 这些IMC（ 主要是Sn和Cu之间的各种合金化合物，由于是富Sn的条件，因此以Cu6Sn5合 金化合物为多。但是无铅焊料在高温焊接时，焊接温度比传统Sn-Pb焊料更高， 加上无铅焊料在焊接温度时的表面张力大，润湿性差，因此使Sn和Cu流动与 扩散（主要是n向Cu表面流动与扩散）不均匀，来不及形成整体而均匀的 Cu6Sn5等IMC润湿层，而是出现大小不一的微空洞，即所谓的Kirkendall

37、 voids。 因此，从这种微空洞的成因上看，降低无铅焊料的表面张力（可加入某些微 量金属元素）、降低铜表面粗糙度和提高清洁度也是有利的。 (2) 无铅焊料在焊接时PCB的可靠性 由于无铅焊料要求更高的预热温度、焊接温度和更长的高温焊接时间，因此PCB基板将受到比传统SnPb焊料体系焊接更大（高）的热冲击和热应力，从而使PCB基板也带来更大的损害，其结果必然要影响PCB基板的可靠性。无铅焊料在焊接时影响常规PCB基板的可靠性，主要在有五个方面： 基板分层、裂缝、变色等； 层间连接的导通孔发生裂缝、断开，甚至剥离（类似凹缩）； 焊盘（连接盘）翘起、脱落； PCB基板扭曲、翘曲； 更易于发生CAF

38、现象。 这五个方面发生的危害皆是与热成正比例的，因而其危害程度将比传统Sn-Pb焊料在焊接时带来机 率更多、几率更高、程度更大。这些危害与克服，既是对CCL 的要求，又是向PCB基板的挑战 。 PCB 基板分层、裂缝、变色等问题 PCB基板分层、裂缝和变色等的程度都是与热成正比例的由于无铅焊接温度传统Sn-Pb焊料要高2040(见表5),而在高溫焊接(熔融态)时的停留时间要长1/31/2(见表3)这样便易发生如下问题：(a)由于基板内材料CTE（热膨胀系数）的差异，在常规PCB基板发生层内半固化片与CCL基片之间 (含导电图形) 之间更易于发生分层起泡；（b）基板介质层内玻纤布与树脂或板面树脂

39、发生微裂缝，这是由于玻纤布的CTE（57ppm/）和树脂的CTE（常规环氧树脂小于Tg温度下，CTE约为80ppm/,而g温度时 ，其CTE将超过200ppm/）差别，或者是铜箔（CTE为17ppm/）与介质层（CTE为1417ppm/）的CTE差别，甚至CCL基片和半固化片的CTE（即主要是新、旧介质层）之间差别等而引起的，也有可能是与树脂的分解温度（Td）较低有关；（c）PCB基板表面变色（开始炭化的象征），这表明高的温度下已经使树脂结构发生了变化或发生分解现象 。焊料体系合金低共熔点（）热 风 焊 料 整平（）最 高 焊 接 温度（）熔 融 停 留 时间（秒）Sn-Ag-Cu系21725

40、026025026090Sn-Cu系22726027026027090Sn-Pb系18322024022024060 表表5 在焊接时无铅焊料与在焊接时无铅焊料与Sn-Pb焊料的操作条件焊料的操作条件 层间连接导通孔的裂缝、断开与剥离 这是指PCB基板厚度（Z）方向发生可靠性问题。同理。她也是基板内介质层和导通孔铜镀层之间CTE差别而引起的可靠性问题，所不同的是这种CTE的差别，主要是树脂与孔内镀铜层在Z方向的CTE差别大而发生的。PCB多层板的显微切片金相图中，所引起的裂缝、断开和剥离主要发生在：（a）在第2层和第（n-1）层与通孔铜镀层断开，因为在这两个连接处是多层PCB基板内铜结合较差（

41、与最外层比）和第二大的膨胀处，当然也是CTE差别最大处；（b）在孔内壁某处局部裂缝，大多是发生在孔内镀层有缺陷处，如空洞、杂质或镀铜层较薄地方等；（c）在孔内壁某处发生环行断开（裂），主要是由于孔内铜镀层厚度不均匀（往往发生在最薄处）造成的，特别是常规的直流电镀的情况。当然这三种缺陷情况也可能由于铜镀层的延展性不高（如铜镀层的延展性12时）在无铅焊料的焊接条件下加剧了这些缺陷的发生几率与程度 。 焊盘翘起与脱落 在无铅焊料焊接时，PCB基板上的焊盘会出现几率更多的翘起与脱落，从研究与报道的情况来看，主要有两个方面的原因：（a）是在高热（高温焊接）冲击下，由于不同材料（铜泊与树脂）CTE差别引起

42、的高热应力而产生的，这意味着高的热应力（注意：这里是指无铅焊料的焊接后的高凝固点和快速的冷却速度等产生的）已超过了焊盘铜箔与树脂之间的结合力；（b）除了（a）的原因外，焊盘铜箔处具有更高的温度（铜的导热率高、传热也高），使焊盘下的树脂表面具有更高的温度，从而使树脂（特别是常规的环氧树脂的分解温度较低，即Td=310320之间）发生局部的高温分解所致；（c）其它方面，如CCL基板的等级与性能、加工处理等也不无关系 。 PCB基板发生扭曲与翘曲 目前从国内几家PCB企业（公司）的实验和试用都表明：无论是单面板、双面板，还是多层板，无铅焊料的焊接比Sn-Pb焊料有更大的翘曲度和扭曲性。这是由于无铅焊

43、料必须在更高温度与更长时间的条件下进行，加工焊接后需要更快的冷却速度和更高的凝固点（与低共熔点相同），因此使得整体的PCB基板内部的各种材料的CTE差别更大（注意：这里系指无铅焊料焊接后的高凝固点和快速冷却温度带来的结果），响应的综合热应力也较大，因而在冷却下来的“自由”态下，表现出有更大的翘曲度和扭曲性 。 关于CAF （离子迁移）问题 采用无铅焊料的焊接会产生CAF更大的几率，有关这方面的研究与报道看得不多。但是，从CAF产生的机理可以知道，七条件简述有：（a）存在可移动的离子（可以是内部固有的或外来的）；（b）潮湿（湿气、水分、溶液等）条件；（c）形成电极的电压；（d）形成通道,如导电层

44、(或孔、线)之间的介质层内有裂缝、分离，或表面污染的。 很显然，无铅焊料要求有更高焊接温度和更长的焊接时间，因而使PCB基板在焊接时产生的缺陷将带来更大的几率和程度，这无疑是给CAF打开了更多与更大的通道，因此无铅焊料的焊接条件与要求，必然会加重CAF的几率与程度。再加上PCB不断走向高密度化，使导通孔与导通孔、导线与导线、层与层（介质层越来越薄）等的间距越来越小，这些也是给CAF发生增加了几率与程度。所以，在PCB实施无铅焊料焊接和不断发展高密度化的过程中，PCB的CAF问题是应值得引起业界重视、研究和解决的一个重要课题 。 目前，无铅焊料焊接的类型与方法仍然延续统Sn-Pb焊料焊接的设施与

45、方法,主要是波峰焊接、再流焊接（可分为红外焊接、热风和汽相焊接等）和手工焊接等。目前还开展激光焊接，但主要用于封装基（载）板上 。焊接类型 无铅焊料类型与组成 注意点 波峰焊接 Sn-Cu 系 Sn-Ag：99.3Sn/0.7Cu (可加入微量 AgAuNiGeIn 等) Sn-Ag 系：96.5 Sn/3.5Ag 96.5 Sn/3.0Ag/0.5Cu 焊接温度高，易于产生焊盘剥离，损 伤基（分层、起泡裂缝、变色等） ；如 为单面板可添 Bi，降低焊接温度。 高温系 Sn-Ag 系：96.5 Sn/3.5Ag： 96.5 Sn/3.0Ag0.5Cu； 9295Sn/24Ag/16Bi 焊接温

46、度较高， 注意： 再流焊温度的管理；Bi 与镀层的兼容性。 中温系 Sn-Zn 系：91Sn/9Zn； Sn-Ag-I 系：8992Sn/3.0Ag/68In 较适用于 NiAu 的焊盘，与铜表面兼容性较差（即润湿性较差） 。 再流焊接 低温系 Sn-Bi 系：42.542 Sn/57Bi/0.51 Ag 脆性大，机械强度低，空洞多，适用于低档次场合 手工焊接 大多采用 高温系 Sn-Ag 系：96.5 Sn/3.0Ag/0.5Cu 注意： 不同焊料焊接与检修的匹配 （兼容）性。 表表6 无铅焊料的焊接类型与注意点无铅焊料的焊接类型与注意点 从上述的无铅焊料的类型与特性、无铅焊料的焊接及其特征

47、中得知，仅以目前无铅焊料（实施无铅化工程的首要内容）状态来看，要在2006年7月1日起电子产品实施无铅化，总觉得十分勉强，仍然存在着不少疑难和问题，显然还需要有一个过渡时间， 而不是全面的铺开来。 但是， 无铅化工程仍然必须实施的，首先会在民用电子产品和工业用电子产品等领域实施起来，随着无铅焊料、CCL等原辅材料、PCB基板等的改善和进步，必然会逐步或迅速推广和应用到其它电子产品的领域。目前无铅焊料存在的问题主要有：（a）最佳的无铅焊料（SAC305）还没有达到有铅焊料（63Sn/37Pb）性能（特别是表面张力和湿润性方面）的等级;（b）无铅焊料焊接的焊点，其润湿性差、各种缺陷较多，这些问题严

48、重威胁着电子产品的可靠性;（c）更重要的是目前最佳的无铅焊料（SAC305）的焊接温度偏高20 40之多，而且高温焊接的停留时间偏长（约增长30以上），这对元器件、CCL基材、PCB基材、焊接条件（设备、助焊剂等）等都带来了新的冲击与要求，必须系统地加以解决才行：（d）电子产品实施无铅化的规范和标准必须相应跟上，当然无铅化电子产品的规范和标准是“实践”中来的，需要经过产品的试验、应用等一定时间加上综合总结才能制定出来。但是，无铅化的规范和标准是可以结合传统的有铅焊料的主要特征和差异等制定相应（即使是草案或过度性的）规范与标准,特别是可靠性的试验（如热冲击、热应力等）将会有更严格的要求 。 从上

49、述几节的无铅焊料的评述中，对CCL基材的最基本的要求是具有好的耐热性能,或者说要提高抗高温性能。这是由无铅焊料特性来决定的，与传统SnPb焊料比起来,无铅焊料的最根本的两大特征：（1）最有希望与应用的无铅SAC305焊料的低共（晶）熔点为217，比传统Sn-Pb系高出34；（2）在高温焊接时表面张力大，因而润湿性差。无铅焊料的这两大特征决定着PCB基板在焊接中比传统Sn-Pb焊料有更高的要求：（1）需要有更高的预热温度（提高50左右）与更长的预热时间（增加15秒以上）；（2）要有更高的焊接温度（提高2040）；（3）需要有更长的焊接时间，在熔融态的停留时间从60秒延长到90秒；（4）焊接后需要

50、有更快的冷却速度，由3/秒提高到6/秒，即快一倍的冷却速度。另外，如采用无铅焊料进行HASL时，PCB基板还要先受到更高温度的热伤害。无铅焊料在焊接时对PCB基板的主要伤害，我们在本文第3.3节中有讲到。 除了持续改进无铅焊料及其焊接技术外，主要的是提高PCB基板的耐热性能和散热性能，其途径主要是通过PCB用的CCL基材、PCB制造工艺和热设计（对于板外的散热和导热措施，如风冷、液冷、板面贴压散热片等），来加以解决。 要提高和改善PCB基板的耐热性能，最根本的是选用高耐热的CCL基材。能适应无铅焊料焊接条件的CCL应具备如下要求：即高的热分解温度Td、高的Tg温度、低的温度膨胀系数CTE和好的

51、耐CAF特性等。（1）高的热分解温度（Td） 无铅焊料焊接的PCB实验和应用表明，采用高分解温度（Td ）树脂的CCL基材是最重要，或者说CCL的耐热性能主要是取决树脂的热分解温度。所以，仅仅采用高Tg和低CTE基材是远远不够的，即如果CCL中树脂的分解温度（Td）低（如320）的话，不仅制造（CCL）成本增加了，而且耐热性能也不能提高和改善的（参见表7）。从表中可看出：因选择低Tg和高分解温度Td（最好305）树脂组成的基材（HGHD）或高Tg和高Td的树脂组成的基材（HGHD），才能得到更好的耐热的PCB可靠性性能。因此，影响无铅焊接PCB耐热可靠性的最重要因素是CCL基材中树脂的热分解温

52、度（Td），只有提高CCT基材中树脂的热分解温度（如Td350，最近IPC草案规定330或340），才能保证无铅焊接PCB的耐热可靠性问题 。基材特性LGLDHGLDLGHDHGHDTg（DSC），（）140172142175Td（）32031035035050250的Z向膨胀（）4.403.404.303.15T260（分钟）4.5212.515（2）采用高Tg的树脂基材 高Tg树脂层压板基材具有较高的耐热特性，因而对PCB无铅化是有利的，这意味着，比常规的PCB的Tg提高多少温度就可相应地提高了PCB基材的“软化”温度（见表8），因而在无铅焊料焊接时具有更好的热尺寸稳定性。同时，一般来说，

53、较高的Tg温度也具有较低的CTE，这对于PCB无铅化也是有利的 。树脂名称Tg温度（）CTE（ppm）备注常规环氧树脂1251358085 耐热（改性）环氧树脂1501705070 PPE/PPO树脂1802404045聚苯醚BT树脂1852304045双马来酰脘-三嗪树脂PI树脂2202604045聚酰亚脘表表8 各种基材树脂的各种基材树脂的Tg和和CTE （3）选用低热膨胀系数CTE的CCL材料 （4）提高耐CAF特性在CCL基材介质中，提高耐CAF性能可采取如下措施：提高树脂对玻纤布的浸润性；选用新型结构玻纤布（开纤布或扁平布）为增强材料；降低树脂中的离子含量；降低CCL吸水性。 除了C

54、CL基材影响PCB耐热可靠性外，在PCB生产中也会影响其耐热可靠性、耐CAF性能，特别是孔内镀铜层的结合力、延展性和厚度均匀性对PCB产品耐热可靠性的影响是不可忽视的。 （1）提高基铜（CCL上的铜）和电镀铜的结合力。采用“直接电镀”工艺与技术，消 除化学镀铜层结合力差的缺点，提高PCB内层与孔壁的结合力。 （2）提高镀铜层的延展性。目前大多数的镀铜层延展性处于812之间，其延展性 不高主要原因是由于铜镀层中的晶粒过大、镀层中C、S（来自添加剂）含量较高等 而造成的，从而使镀层结构内应力较大。因此，在镀铜过程中控制好“晶核形成大于 结晶成长的比率，从而可获得较小的晶粒和表面粗糙度（凹凸）小的结

55、构，可明显 提高镀铜层的延展性（1820），因而大大提高了PCB（Z方向）导通孔的耐热可 靠性。目前采用这种技术形成的电沉积的铜箔的延展性已经达到、甚至超过冷扎的 铜箔的延展性，并大量地使用于挠性印制板（FPC）上。同时，在常规的FR4基材 上采用这种镀铜工艺与技术而生产的刚性多层板，也明显地提高了镀铜层的延展性， 其耐热应力可达30次（在29910秒下）以上，高、低温循环（热冲击）次数高达 1800 次以上。 （3）提高镀铜层厚度均匀性。除了采用低电流密度和高分散能力镀液等条件外，目前 已走向脉冲电镀技术而且是最理想并易于达到镀铜层的均匀厚度的，均匀的孔内铜镀 层无疑可提高Z方向的耐热性能。

56、 （4）提高耐CAF性能。从PCB制造加工角度看，提高钻孔的对位度、降低孔壁粗糙度 （ 如小于15um等），提高在制板（penals）表面清洁度，改善层间致密性和结合力等， 这些措施皆能提高耐CAF性能 。 从通用的耐热高可靠性角度看或者从成本与市场竞争观点上看，最佳的途径应是具有高分解温度的常规FR-4或耐热（高分解温度）FR-4基材和先进的电镀（精细晶粒结构）技术相结合的方法。但是，在选择FR-4基材时，最好选用低玻璃化温度（LG）与高分解温度（HD），或高玻璃化温度（HG）和高分解温度（HD）的材料，如前面表7所示，这样，可以得到更好的耐热性能的PCB产品。 大家知道，PCB中的介质导热

57、系数（热导率）是很小的，由于其散热差，不能把PCB上由于焊接和使用过程产生的高热快速地传递（导）或释放出去 。所以，在PCB使用过程中极易使PCB内部温度升过高而变形（不同材料CTE差别等形成的热应力）过大，从而也会引起耐热可靠性问题 。为了了解决这个问题，我们可以采取下述五种有效措施来降低PCB的温升和高热（温）问题。 （1）在CCL的介质层中加入高导热性的材料（填料）提高PCB的热导率，从而把相当的热量快速散发出去，使PCB中的热量不会聚集过多引起高温，从而降低了PCB整体温升，提高了可靠性。这种在PCB介质中加入导热性材料以粉末颗粒（如氮化硼、陶瓷粉料等）加入到树脂中来形成介质层的，因此

58、这些材料大多是由CCL制造商来完成的。这些材料的散热性能（程度）是取决于加入导热率材料的种类与数量（由所占体积比率和导热率）来确定的。同时，这些导热率高的材料加入还可带来CTE下降，有利于改善PCB的尺寸稳定性和耐热可靠性。 随着电子产品便携化进步与发展，要求PCB进一步高密度化和薄型化的发展，改善和提高PCB介质层的导热性能是今后发展的一个重要方向。（2）采用导热性能材料堵塞（充填）导通孔来改善和提高导热性能 在PCB的导通孔中采用堵塞导电胶（如含银铜颗粒），或者采用电镀铜填孔技术等方法，皆能得到良好的导热性能，快速地降低板内的温度，改善PCB耐热的可靠性。采用电镀铜填孔方法具有最好的导热性

59、能 。（3）改进导通孔结构设计来改善和提高导热性能 采用叠孔、盘内孔和AGSP积层（advanced grade solid-bump）凸块等都能得到最好的导热效果，并改善PCB加工、焊接和使用的耐热的可靠性，这些结构不仅能够改善PCB的导热性能，而且还能够提高电气性能，因此在便携式电子产品中得到了广泛的应用 。（4）在PCB内部夹入金属芯形成金属芯印制板 由于PCB内部加入金属芯（如铜或铝等）可以把PCB内部产生的高热速度的传导出来，从而降低了PCB整体的温度。金属芯（特别是AI基板）结构的PCB主要应用于大功率的场合（如电源板、汽车电装板等）。 （5） 在PCB的表面形成（粘结，属于高导热

60、性的）散热片的结构，如铜板、铝板等按PCB结构加工的散热片，然后与粘结剂一起热压而成。这样，可以把大功率与高密度的组件产生的热PCB内部传导出来的热通过散热片而散发出去，从而降低了产品的整体温度，提高PCB体系的耐热可靠性。 以上的多种措施可分开或结合起来灵活使用，可得到很好的耐热、导热或降温效果，提高产品的耐热可靠性。结论 从上述几节的评述中，电子产品即将实施无铅化的过程中，我们可以清楚地看到并得出如下结论（充分和必要条件）。 (1)电子产品实施无铅化工程或者无铅焊料时代已经到来了。尽管还有不少疑虑与问题，但是这些都是前进中的课题，在有铅焊料的过渡中会迅速得到克服、改进和提高，最终会得到全面