无铅焊料及相应工艺

1、无铅焊料及相应工艺1主要内容控制铅的使用无铅焊料的研究状况推荐选用的无铅焊料无铅焊料的选用实施无铅焊接工艺主要相关问题导电性胶2控制铅的使用铅在各种产品中的使用量产品使用量产品使用量蓄电池80.81%电缆1.40%氧化物（油画、玻璃、陶瓷、颜料等）4.78%铸造1.85%管道0.72%非电子焊料0.70%弹药4.69%电子焊料0.49%铅箔纸1.79%其他2.77%3控制铅的使用铅元素的毒性：毒害神经系统和生育系统，特别是危害儿童的神经发育。大部分电子垃圾最后都是埋在地下，经渗透会对土壤造成严重污染，甚至渗入地下水危及人体健康。焊料由于技术和成本问题很难回收，而许多使用更多铅的产品，在全世界大

2、部分市场都得到严格的控制和有效的回收。从欧洲到日本、美国，都已先后把治理“电子垃圾”作为当务之急。 4控制铅的使用日本电子工业协会于1998年决定，主动在电子组装中去除铅。目标是2002年50%电子产品无铅，2004年完全无铅。欧洲议会于2002年12月通过决议草案，在2006年7月1日起开始全面禁止使用含铅电子焊料。80年代初，美国立法禁止在汽油与管道焊接中使用铅；1992年的Raid法案（尚未立法）中即包含了电子组装中禁用铅。美国NEMI于1999年成立专门工作组，目标是帮助北美公司在2001年启动无铅电子组装，到2004年全面实现电子产品无铅。5控制铅的使用我国正在拟定的电子信息产品生产

3、污染防治管理办法规定： 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、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯（PBB）或者聚合溴化联苯乙醚（PBDE）注：阻燃添加剂等。 但替代物的研发是一个庞大细碎的工程，牵涉到整机厂家、元器件厂家及其国外供货商。中国尚缺少马上能投入应用的替代物。 6控制铅的使用印制电路板及其装配的无铅化要求PCB表面采用锡铅焊料作可焊和防氧化涂层时带来的问题： PCB加工过程（电镀锡铅工序、腐蚀后锡铅退除工序、喷锡工序等）会接触到铅。 锡铅电镀等含铅废水及热风整平(喷锡)的含铅气体对环境带来影响。 在目前高密度互连产品中并不完全适宜（平整度不够、硬度不够

4、、接触电阻太大 ）。 PCB装配中采用锡铅焊料进行波峰焊、再流焊或手工焊操作中都有铅气体存在，影响人体和环境。同时在PCB上留下更多的铅含量。 7市场竞争分析 市场需求就足以推动无铅电子组装分析表明： 20%的消费者在购买产品时会积极考虑其对环境的影响。 45%的消费者会由于其环境安全性而购买某种产品。 50%的消费者在发现某产品危害环境时会转向其它品牌。 价格和质量相近时，76%的消费者会选择具有环境安全性的产品。如：日本所有大型消费类电子产品公司都在大量生产无铅电子产品，推销时使用“绿色产品”作为竞争卖点。松下1998年推出了微型CD播放机，包装上用一片绿色的树叶作为环保安全标志，市场份额

5、从4.7%增长到15%。8市场竞争分析在世贸组织原则下，同样也是市场准入门槛的环保法令将直接影响各国的产品进出口额。发达国家这几年设置的贸易壁垒正从关税型转向技术型，往往表现为掌握核心技术后，再提高进入门槛。不应排除从原材料环节就实施行业控制的可能性。 现北美电子制造商所经受的压力是经济上的，而不是法令上的。为消除其产品再不能出口到亚洲和欧洲电子市场的危险，制造商们正在寻找可行的含铅焊锡的替代者，包括无铅焊锡材料与可导电性胶 。9无铅焊料的研究状况 寻求年使用量为5-6万吨的Sn-Pb焊料的替代品十个基本要求：其全球储量足够满足市场要求。（铟、铋等不行）无毒性。（镉、碲、锑等不行）能被加工成需

6、要的所有形式。（焊丝、焊膏、焊条）替代合金也可以再循环利用。（不能包含多种金属元素）相变温度（固/液）与Sn-Pb焊料相近。合适的物理性能。（电导率、热导率、热膨胀系数等）与现有元器件基板、引线及PCB材料在金属学性能上兼容。足够的力学性能：剪切强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性。良好的润湿性。可接受的成本价格。10无铅产品定义：焊料中铅含量的重量百分比小于1%注意：1） 只对焊料，不对整个产品。 2）铅含量超过85%的焊料不包括在内。 目前已经有超过100个无铅焊料的专利，由于性能与价格方面的原因，只有其中一小部分可以实用化。 实用化焊料通常按熔点范围分类： 1)

7、 低熔点 ：180 2）等同熔点：180-200 3）中熔点：200-230 4）高温合金：230-250 11推荐选用的无铅焊料美国：回流焊 95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu (217 ) 波峰焊 99.3Sn-0.7Cu (227 )欧洲：通用 95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu 特殊用途 99.3Sn-0.7Cu, 96.5Sn-3.5Ag日本：回流焊 Sn-(2-4)Ag-(0.5-1)Cu Sn-(2-4)Ag-(1-6)Bi 波峰焊 Sn-(2-4)Ag-(0.5-1)Cu Sn-0.7Cu (加In1-3%) 首选 96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu12无铅焊料的选用将来

8、不可能有一种所谓“标准”的无铅焊料，几种不同的无铅焊料各有利弊，其选用取决于产品和工艺的具体要求。无铅焊料由于其填加成分价格较高，故其价格明显高于锡铅焊料。在选用无铅焊料时，要特别注意避开专利问题。13实施无铅焊接工艺主要相关问题1 ）需要更高的工艺温度 以回流焊为例：普通含铅焊膏的温度工艺窗口为208-235 ，而无铅焊膏因为熔点高、润湿性差、回流时自对位能力较差，其温度工艺窗口为242-262 。温度提高可能损伤温度敏感元器件，塑封器件开裂等很多元器件能承受的温度都在262以下。 温度超过150时，PCB会发生玻璃态相变，导致PCB翘曲、分层、变色（阻燃剂的限制问题）。温度工艺窗口变小及自

9、对位能力较差要求焊接设备及工艺优化工具能精确的控制温度及贴片位置。较高的温度及较长的滞留时间带来防氧化问题。生产率下降及能耗上升导致成本增加。14实施无铅焊接工艺主要相关问题2）纯锡表面的锡鬚生长问题： 纯锡表面会逐渐生长锡鬚，甚至可长到10mm以上，造成电气性短路。必须采取措施降低其造成的可靠性风险。3）铅和铋污染造成“焊点起皱”。 无铅焊接的元器件必须选用焊脚也无铅的。4）生产实施的过渡。 从原焊接工艺转到无铅焊接，材料、设备、操作方法等各方面都有很多改变；需要做大量的设计、认定、试验和测试验证工作。15实施无铅焊接工艺主要相关问题5）检验问题： 无铅焊点表面暗淡，容易产生一定程度的“焊点

10、起皱”和边沿翘起的现象。许多原来用以检验的仪器设备需要改变，检验标准和方法需要重新制定。 6）返修焊料的兼容性以及被维修点的材料确认问题： 返修焊料应尽可能与生产用的焊料一致，以免发生电化学问题。16实施无铅焊接工艺主要相关问题使用有铅焊丝及无铅焊丝的比较：一：成分区别A 通用6337焊丝组成：63的Sn；37的Pb。B 无铅焊丝的主要组成（例）： 96.5%Sn；3.0Ag；0.5Cu二：熔点、焊接温度及焊接速度：焊丝种类 熔点 焊接温度 焊接速度6337焊丝 183 350 大约4秒/个无铅焊丝 220 390 大约6秒/个 17导电性胶导电性胶是热固环氧树脂与导电性金属颗粒的混合物。相当

11、软的金属通过胶在固化期间收缩时的变形提供良好的颗粒接触。现在最常见的填充材料是银，由于其价格适中、广泛的来源与优良的导电性。伴生的导热性消除了机械散热的需要，提供在晶体管或微处理器与其散热片之间的有效热传导。导电性胶是无铅和CFC的，不危害环境。可填充异形区域和不同尺寸的间隙，提供良好的设计灵活性。较低的胶处理温度减少能源成本，允许装配中使用价格低廉的基板，减少PCB上的温度-机械应力和元件的损伤。 18导电性胶 提供元件与电路板之间的机械连接和电气连接可使用室温或低温固化以粘结温度敏感元件。在不可焊接的基板（塑料、玻璃）上提供电气连接。柔性电路的装配与修理或柔性基板与连接器粘结。各向同性的材料在所有方向均等的导电性，可用于有地线通路的元件。导电性硅胶帮助防止元件受环境（如潮湿）的危害，并且屏蔽电磁与无线射频干扰(EMI/RFI)的发射。各向异性的导电性聚合物允许电流只在单个方向流动，提供电气连接性和舒缓倒装芯片元件的应力。导电性胶抗振动与冲击比焊锡好。 19导电性胶导电胶的连接强度、导热性和导电性均不如焊锡，且填充颗粒易于氧化，导电性可能随着时间降低。无自对中作