电子封装用无铅焊料的最新进展
１ 引言
一直以来，铅锡合金作为电子工业的主要封接材料，在电子部件装配上占主导地位。然而铅及铅化合物属剧毒物质，对人体及牲畜具有极大的毒性。尤其是近年来随着人们环保意识的增强和对于自身健康的关注，铅污染越来越受到人们的重视。
２００３年７月１３日，欧盟正式颁布ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令，并明确要求其所有成员国必须在２００４年８月１３日以前将此指导法令纳入其法律条文中。该法令严格要求在电子信息产品中不得含有铅、汞、镉（ｃａｄｍｉｕｍ）、六价铬（ｈｅｘａｖａｌｅｎｔ ｃｈｒｏｍｉｕｍ），多溴联苯（ｐｏｌｙｂｒｏｏｍｉｎａｔｅｄ ｂｉｐｈｅｎｙｌｓ ＰＢＢ）及多溴二苯醚（ｐｏｌｙｂｒｏｍｉｎａｔｅｄ ｄｉｐｈｅｎｙｌｓ ｅｔｈｅｒｓＰＢＤＥ）。
严格的禁铅条例使电子封装产业对无铅焊接提出了更高的要求，已经成熟的锡铅焊料必须被性能相近或更高的无铅焊料所替代。但在工艺方法上，无铅焊料还存在很多缺点和不足，急需解决。
目前，国内关于无铅焊料和无铅钎料的专利共有６９条，从中可以看出我国自己的专利申请速度在不断加快。多数专利是在主要元素基础上，通过添加微量元素来改善焊料的性能，但有的专利由于组元太多，在生产中会产生困难。同时，尽管现在有很多专利，但是这些专利范围的成分还没有达到最佳性能，不能满足所有要求。
２ 无铅焊料的三大弱点
自欧盟颁布ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令以来，世界各国
电子封装用无铅焊料的最新进展
黄卓１，张力平２，陈群星２，田民波１
（１．清华大学 材料科学与工程系，北京 １０００８４； ２．振华亚太高新电子材料有限公司，贵州 贵阳 ５５００１８）
摘要：随着ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令的颁布，电子封装行业对于无铅焊接提出了更高的要求。根据国际上对无铅焊料的最新研究进展提出了无铅焊料“三大候选”的概念。总结了目前无铅焊料尚存的三大主要弱点，并对国际上推荐使用的几种无铅焊料的优缺点进行了概述。
关键词：无铅焊料；候选焊料；熔点；稳定性
中图分类号：ＴＮ３０５．９４ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００６）１１－０８１５－０４
Ｒｅｃｅｎｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｅａｄ－Ｆｒｅｅ Ｓｏｌｄｅｒ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ
ＨＵＡＮＧ Ｚｈｕｏ１， ＺＨＡＮＧ Ｌｉ－ｐｉｎｇ２， ＣＨＥＮ Ｑｕｎ－ｘｉｎｇ２， ＴＩＡＮ Ｍｉｎ－ｂｏ１（１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４， Ｃｈｉｎａ； ２． ＺｈｅｎｈｕａＡｓｉａ－Ｐａｃｉｆｉｃ Ｈｉｇｈ－Ｔｅｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ．， Ｌｔｄ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００１８， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｓｓｕｅ ｏｆ ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ， ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｒａｉｓｅｄ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｊｏｉｎｔｉｎｇ． Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｓ ｏｆ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ ｗｅｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｗｅａｋｎｅｓｓｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ ｂｅｉｎｇ ｕｓｅｄｎｏｗａｄａｙｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， ａｎｄ ａ ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒｓ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ａｓ ｗｅｌｌ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ； ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ ｓｏｌｄｅｒ； ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ； ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
基金项目：国家“８６３”计划引导项目（２００２ＡＡ００１０１３）
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对无铅焊料都进行了大量的研究，无铅焊接技术也得到了长足的发展。但无铅焊料相对于Ｓｎ－Ｐｂ焊料而言仍存在三大不可忽视的弱点。
２．１ 浸润性差
焊接的浸润性不良主要表现为焊锡不扩展，焊锡的流动性差，焊锡没有布满整个焊盘而缺焊。浸润性较差，带来以下几方面的不足：
⑴容易产生接合不良；
⑵为提高浸润性而对操作温度要更高；
⑶为提高浸润性而使用高活性的助焊剂，会导致焊点可靠性降低。
２．２ 熔点高
无铅焊料普遍比Ｓｎ－Ｐｂ焊料的熔点高出３０℃以上，由此会带来：对于耐热性较差的元器件容易造成热损伤；容易导致平面基板弯曲变形。
２．３ 金属溶解速度快
金属溶解速度过快会导致以下几方面的问题。
⑴焊池中焊料由于溶铜、溶铅容易受到污染；
⑵被焊的基体易溶入到焊料中（例如铜细丝的溶解断裂）；
⑶焊接时金属间化合物生长过剩；
⑷溶焊、回流焊的焊池材料因为金属溶解而被腐蚀，导致过早报废。
３ 推荐使用的几种无铅焊料
日本及欧盟给出了目前在几种不同焊接工艺中可替代锡铅焊料的最佳无铅焊料，如表１所示。３．１ Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系ＮＥＭＩ推荐）。
有关无铅Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金焊料，在国内就有１４个、美国约２２个已授权的专利［１］。
３．１．１ Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ优点
⑴由于合金中弥散分布有微细的Ａｇ
３
Ｓｎ和
Ｃｕ
６
Ｓｎ
５
等金属间化合物强化相，因此可实现优良的机械性能和高温稳定性；
⑵溶化温度区间（固相线和液相线的温度差）窄；
⑶Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ焊料可以满足各种形状需要，包括焊条、焊丝、焊球等；
⑷与镀Ｐｂ元器件兼容较好，由溶Ｐｂ引起的焊点剥离情况比其他无铅焊料少。
３．１．２ Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ缺点
⑴熔点比Ｓｎ－Ｐｂ共晶合金高，这是制约这种无铅焊料推广应用的技术瓶颈；
⑵浸润性比Ｓｎ－Ｐｂ焊料差。对于双面基板的组装，需要采取措施提高通孔的浸润性，如控制波峰焊参数，采用氮气保护性气氛等都相当有效［２］；
⑶熔点高，导致它与现在广泛使用的基板材料不相容，而且返修也不得不采用高温，这将大大增加基板损坏的可能性；
⑷慢冷时焊接处容易形成孔洞，如图１所示。
候选１２３
波峰焊
Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系
Ｓｎ－Ｃｕ系
Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ系
回流焊
Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系
Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ系
Ｓｎ－Ｚｎ（－Ｂｉ）系
手工焊
Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系
Ｓｎ－Ｃｕ系表１ 不同工艺中可替代Ｓｎ－Ｐｂ的无铅焊料
在几个候选合金系统中，Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系是新一
代代表性焊料，并正在世界范围内推广使用。这种合金具有优良的物理性能和高温稳定性，因此也成为各种无铅焊接工艺中的首选候补焊料。以下为几种推荐使用的Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ焊料配比。
⑴ Ｓｎ
９６．５Ａｇ
３
Ｃｕ
０．５
（日本，ＪＥＩＴＡ推荐）；
⑵Ｓｎ
９５．５Ａｇ
３．８
Ｃｕ
０．７
（欧盟，ＩＤＥＡＬＳ推荐）；
⑶Ｓｎ
９５．５Ａｇ
３．９
Ｃｕ
０．６
（Ｓｎ
９５．５
Ａｇ
４．０
Ｃｕ
０．５
，美国，
空洞的出现与焊料本身的强度关系不大，通过
改善焊接工艺一般在焊态可以避免，随着服役过程
的热力循环，空洞逐渐发生和发展。有研究认为，
空洞的形成与焊料与导线及焊料与基板的界面状态
有关［３］。
３．２ Ｓｎ－Ｃｕ系
Ｓｎ－Ｃｕ系焊料价格便宜，从经济角度来说是不
可多得的熔焊用焊剂。这种合金由于形成Ｃｕ
６
Ｓｎ
５
的
微细弥散相而获得很高的初期强度，目前是波峰焊
及手工焊中推荐使用的无铅焊料的第二替补。但当
图１ Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金焊料外引线焊点空洞现象
半导体技术第３１卷第１１期２００６年１１月816
温度超过１００℃，弥散相会变粗大。因此，Ｓｎ－Ｃｕ焊料的热疲劳和可靠性等还有待证实。目前这种焊料还不宜用于高可靠要求的组装场合。为了改善其可靠性，可添加Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ等第３元素，使组织微细化、稳定化。由于合金的熔点在２２７℃以下，钎焊条件与传统的Ｓｎ－Ｐｂ相比变化不大。但由于存在基板的耐热性以及与镀Ｐｂ元器件的兼容性等问题，需要进一步改善。
３．２．１ Ｓｎ－Ｃｕ优点
⑴材料价格便宜，Ｃｕ矿产资源丰富；
⑵慢冷时焊接处表面的孔洞较少。３．２．２ 缺点
⑴熔融温度高。Ｓｎ－Ｃｕ系焊料的熔融温度比Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金焊料要高出约１０℃；
⑵浸润性较Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ焊料差，仅限于单面基板上的熔焊等应用；
⑶耐高温性能较差；
⑷和Ｃｕ基体结合的界面处不平整，容易形成克根达耳孔洞［４］；
⑸与镀Ｐｂ元器件兼容性差（易出现热断裂）；
⑹电镀Ｓｎ－Ｃｕ时，在某些基板上有可能出现晶须而在密集线路之间发生短路（如图２所示）。的现象。对焊料的最佳成分组成仍需要进一步研究，但在不降低浸润性的范围内Ｂｉ含量越低越好，以提高焊接的可靠性［５］。
３．３．１ Ｓｎ－Ｚｎ优点
⑴Ｓｎ－Ｚｎ系焊料的熔点大致在１９８℃，与现在通用的Ｓｎ－Ｐｂ共晶焊料的熔点１８３℃很接近，两者的工艺设备可以共享；
⑵溶化温度区间（固相线和液相线的温度差）窄；
⑶原材料价格便宜，而且矿产资源丰富；
⑷连接强度高。
３．３．２ Ｓｎ －Ｚｎ缺点
⑴Ｚｎ较活泼，容易氧化腐蚀，必须在氮气等非活性气氛中进行回流焊；
⑵浸润性极差，这是阻碍Ｓｎ－Ｚｎ合金焊料应用的主要原因之一（目前已有通过对Ｓｎ－Ｚｎ的合金化改性来改善其浸润性，并取得了一定效果［６－７］。并已有实验证明，在乙醇－松香中加入少量ＳｎＣｌ
２
作为助焊剂可大大改善Ｓｎ－Ｚｎ对铜的浸润性［８］）；
⑶Ｃｕ基体接合部位抗高温高湿强度较弱，原因是Ｓｎ－Ｚｎ焊料与Ｃｕ的结合界面形成很薄的Ｃｕ－Ｚｎ化合物层，在１５０℃时，界面反应快速进行，Ｃｕ－Ｚｎ化合物层容易受到侵蚀穿孔，Ｓｎ向Ｃｕ中扩散，在形成Ｓｎ－Ｃｕ化合物层的同时产生许多空洞［４］。３．４ Ｓｎ－Ａｇ－Ｉｎ－Ｂｉ系
目前研究的无铅焊料主要是Ｓｎ－Ａｇ系合金，由于其优良的高温稳定性和可操作性而被作为首选的替补焊料。但是熔点过高始终是Ｓｎ－Ａｇ合金的一个致命弱点。而在Ｓｎ中添加适量的Ｉｎ和Ｂｉ则可有效地降低合金熔点，并改善浸润性。但由于Ｂｉ是半金属，又脆又硬，如果形成粗大的组织会使机械性能劣化。焊点的连接强度会随Ｂｉ添加量的增加而降低［９］。另外，添加过多的金属Ｂｉ会明显降低金属延伸率［１０］。
在Ｓｎ－Ａｇ系合金中添加Ｉｎ同样能使合金的熔点降低，而对机械性能影响较小。合金强度随Ｉｎ添加量的增加而逐渐提高，而蠕变性则在Ｉｎ质量分数为３％时最好，过量或不足都会使该性能下降。３．４．１ Ｓｎ－Ａｇ－Ｉｎ－Ｂｉ优点
⑴Ｉｎ，Ｂｉ可以大幅降低焊料熔点（接近Ｓｎ－Ｐｂ焊料）；
３．３ Ｓｎ－Ｚｎ（－Ｂｉ）系
在几种常见的无铅焊料中，Ｓｎ－Ｚｎ共晶焊料的
熔点与Ｓｎ－Ｐｂ焊料最为接近，因此目前对于Ｓｎ－Ｚｎ
焊料的研究也较为广泛。
目前在欧美等国，Ｓｎ－Ｚｎ焊料已经实用化，日
本厂家则通过改良焊剂，在大气中钎焊，已达到不
亚于Ｓｎ－Ｐｂ焊料的组装效果。今后，将进一步通过
耐蚀性的评价等，提高可靠性，加以推广。Ｓｎ－Ｚｎ
系焊料与其他含Ｂｉ焊料同样，与Ｓｎ－Ｐｂ电镀层之间
也存在兼容性问题。目前，添加３％Ｂｉ的Ｓｎ－Ｚｎ合
金已达到实用化，但二次返修时，会发生类似脱焊
图２ 晶须搭接导致短路的现象
Se mi con duc to r Tec hno log y Vo l. 31 No. 11
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半导体技术第３１卷第１１期
２００６年１１月
818⑵可靠性高，连接强度高（略强于Ｓｎ－Ｐｂ焊料）。３．４．２ 缺点
⑴贵（金属Ｉｎ的价格太高）；
⑵ ８Ｉｎ的合金焊料在温度循环试验中表现出界面凹凸异常的现象；
⑶与镀Ｐｂ元器件兼容性差，易由溶Ｐｂ引起焊点剥离。同时对双面通孔基板使用无铅焊料进行波峰焊时产生了焊点剥离的严重问题，如图３所示，Ｂｉ含量高的合金开裂现象最为严重。
简单分析无铅焊料通孔焊环面填锡体所发生的开裂情形，其原因应该是无铅焊料在Ｘ，Ｙ方向（平行板面方向）的热膨胀系数大于基板，而基板在Ｚ方向（垂直板面方向）的热膨胀系数又大于无铅焊料，于是在冷却收缩过程中会受到双重剪应力作用，而导致开裂现象的产生，如图４所示。
润性、稳定性等方面虽然各有优势，却很难形成统一，至今仍未找到一种可以在各方面超越并替代Ｓｎ－Ｐｂ焊料的合金系统。各类新型无铅焊料的设计与研制，可焊性与可靠性研究，相关焊接工艺的研究均是当前无铅焊料研究工作中的几大前沿课题。
我国对无铅化的研究全面落后于欧美与日本。一方面，日本一直在无铅焊料的生产和应用上占据国际领先位置；另一方面，ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令颁布后欧洲大规模投入研究，已经在其内部形成巨大的市场。所以我国的电子制造行业必须密切关注国际无铅化焊料的研究进展，在科研方面加大力度，加大对无铅化产业的投入，增强我国电子产品的国际竞争力，提高我国产品市场占有率。参考文献：
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制电路信息， ２００５， ２： ５８－６２．
（收稿日期：２００６－０３－０１）
作者简介：
黄卓（１９８０－），男，贵阳人，硕士，研究方向为聚合物导电浆料。
４ 总结
在欧盟颁布ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令后，采用无铅组装已成为电子封装产业的世界性潮流，近一两年无铅化电子产品大量面世。但与传统Ｓｎ－Ｐｂ焊料相比，目前所大量采用的无铅焊料仍然存在浸润性差、
熔点高、金属融解速度快这三个不可忽视的弱点。而国际上推荐使用的几种无铅焊料在价格、浸
电子封装用无铅焊料的最新进展
１ 引言 一直以来，铅锡合金作为电子工业的主要封接材料，在电子部件装配上占主导地位。然而铅及铅化合物属剧毒物质，对人体及牲畜具有极大的毒性。尤其是近年来随着人们环保意识的增强和对于自身健康的关注，铅污染越来越受到人们的重视。 ２００３年７月１３日，欧盟正式颁布ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令，并明确要求其所有成员国必须在２００４年８月１３日以前将此指导法令纳入其法律条文中。该法令严格要求在电子信息产品中不得含有铅、汞、镉（ｃａｄｍｉｕｍ）、六价铬（ｈｅｘａｖａｌｅｎｔ ｃｈｒｏｍｉｕｍ），多溴联苯（ｐｏｌｙｂｒｏｏｍｉｎａｔｅｄ ｂｉｐｈｅｎｙｌｓ ＰＢＢ）及多溴二苯醚（ｐｏｌｙｂｒｏｍｉｎａｔｅｄ ｄｉｐｈｅｎｙｌｓ ｅｔｈｅｒｓＰＢＤＥ）。 严格的禁铅条例使电子封装产业对无铅焊接提出了更高的要求，已经成熟的锡铅焊料必须被性能相近或更高的无铅焊料所替代。但在工艺方法上，无铅焊料还存在很多缺点和不足，急需解决。 目前，国内关于无铅焊料和无铅钎料的专利共有６９条，从中可以看出我国自己的专利申请速度在不断加快。多数专利是在主要元素基础上，通过添加微量元素来改善焊料的性能，但有的专利由于组元太多，在生产中会产生困难。同时，尽管现在有很多专利，但是这些专利范围的成分还没有达到最佳性能，不能满足所有要求。 ２ 无铅焊料的三大弱点 自欧盟颁布ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令以来，世界各国 电子封装用无铅焊料的最新进展 黄卓１，张力平２，陈群星２，田民波１ （１．清华大学 材料科学与工程系，北京 １０００８４； ２．振华亚太高新电子材料有限公司，贵州 贵阳 ５５００１８） 摘要：随着ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令的颁布，电子封装行业对于无铅焊接提出了更高的要求。根据国际上对无铅焊料的最新研究进展提出了无铅焊料“三大候选”的概念。总结了目前无铅焊料尚存的三大主要弱点，并对国际上推荐使用的几种无铅焊料的优缺点进行了概述。 关键词：无铅焊料；候选焊料；熔点；稳定性 中图分类号：ＴＮ３０５．９４ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００６）１１－０８１５－０４ Ｒｅｃｅｎｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｅａｄ－Ｆｒｅｅ Ｓｏｌｄｅｒ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ＨＵＡＮＧ Ｚｈｕｏ１， ＺＨＡＮＧ Ｌｉ－ｐｉｎｇ２， ＣＨＥＮ Ｑｕｎ－ｘｉｎｇ２， ＴＩＡＮ Ｍｉｎ－ｂｏ１（１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４， Ｃｈｉｎａ； ２． ＺｈｅｎｈｕａＡｓｉａ－Ｐａｃｉｆｉｃ Ｈｉｇｈ－Ｔｅｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ．， Ｌｔｄ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００１８， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｓｓｕｅ ｏｆ ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ， ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｒａｉｓｅｄ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｊｏｉｎｔｉｎｇ． Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｓ ｏｆ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ ｗｅｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｗｅａｋｎｅｓｓｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ ｂｅｉｎｇ ｕｓｅｄｎｏｗａｄａｙｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， ａｎｄ ａ ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒｓ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ａｓ ｗｅｌｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ； ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ ｓｏｌｄｅｒ； ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ； ｓｔａｂｉｌｉｔｙ 基金项目：国家“８６３”计划引导项目（２００２ＡＡ００１０１３） Se mi con duc to r Tec hno log y Vo l. 31 No. 11 No ve mbe r 2006815
无铅焊料的疲劳特性
无铅焊料的疲劳特性 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
无铅焊料的疲劳特性 焊料的等温疲劳试验 各类电子产品是在温度不断地变化状态下使用的，由lC 封装、印制基板、各种各样元件工作时的热涨差所引起的变动位移，其应力通常都会作用于最薄弱环节― 焊料接合部，造成热疲劳损伤。因此，进行高可靠的焊料接合部设计，首先要理解无铅焊料的等温疲劳特性。 焊料接合部的结构在硅芯片和陶瓷基板等刚性比较高的场合，例BGA ( ball grid array 等）焊球的应力松驰速度快，给接合部的最大应变是高温时的保持时间及应变控制的往返变形负荷。对QFP、PLCC等使用场合，焊料的应力松驰速度比前者慢，到达高温时是暂时性的间断变形，属应变控制与荷载控制混合形态下的往返变形负荷，然而，不管哪一种场合，应变控制的疲劳是主要的，在实验室进行上述疲劳试验时，应变控制方式是可实现的。 试件经受的负荷样式，BGA类主要是剪切应变负荷，QFP、SOP类不仅是剪切应变、是与拉伸压缩棍在一起的复合模式。在多轴应力/应变条件下，一般采用VonMises 等效应力和等效应变。对于单轴拉伸模式的等价应力/应变，可利用有限单元法等的模拟方式求得接合部疲劳破坏等效应变，用拉伸压缩模式由焊料的疲劳试验结果，来推算其疲劳寿命。
由于焊料接合部存在脆性金属化合物状的接合界面，需通过重迭接合评价反映接合界面的影响，S 焊料的拉伸疲劳试验结果和Cu 铜接合体的剪切疲劳试验结果比较由图表示（组成单位mass%、下同）图上纵坐标根据下式求得VonMises 等效应变，横坐标为疲劳寿命。由图看到，拉伸模式的疲劳试验结果与剪切模式疲劳试验结果差不多在同一条直线上，这意味着，采用VonMises 的等效应变方式，可对焊料拉伸模式疲劳结果和接合体剪切疲劳结果进行直接比较。下面说明的是利用应变控制方式对Sn-Ag 系无铅焊料铜接合体的等温疲劳试验结果。 Sn-Ag 系无铅焊料的疲劳寿命范围影响。
关于编制无铅焊料项目可行性研究报告编制说明
无铅焊料项目 可行性研究报告 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司编制时间： 高级工程师：高建
关于编制无铅焊料项目可行性研究报告编 制说明 （模版型） 【立项 批地 融资 招商】 核心提示： 1、本报告为模板形式，客户下载后，可根据报告内容说明，自行修改，补充上自己项目的数据内容，即可完成属于自己，高水准的一份可研报告，从此写报告不在求人。 2、客户可联系我公司，协助编写完成可研报告，可行性研究报告大纲（具体可跟据客户要求进行调整） 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司 专 业 撰写节能评估报告资金申请报告项目建议书 商业计划书可行性研究报告
目录 第一章总论 (1) 1.1项目概要 (1) 1.1.1项目名称 (1) 1.1.2项目建设单位 (1) 1.1.3项目建设性质 (1) 1.1.4项目建设地点 (1) 1.1.5项目主管部门 (1) 1.1.6项目投资规模 (2) 1.1.7项目建设规模 (2) 1.1.8项目资金来源 (3) 1.1.9项目建设期限 (3) 1.2项目建设单位介绍 (3) 1.3编制依据 (3) 1.4编制原则 (4) 1.5研究范围 (5) 1.6主要经济技术指标 (5) 1.7综合评价 (6) 第二章项目背景及必要性可行性分析 (7) 2.1项目提出背景 (7) 2.2本次建设项目发起缘由 (7) 2.3项目建设必要性分析 (7) 2.3.1促进我国无铅焊料产业快速发展的需要 (8) 2.3.2加快当地高新技术产业发展的重要举措 (8) 2.3.3满足我国的工业发展需求的需要 (8) 2.3.4符合现行产业政策及清洁生产要求 (8) 2.3.5提升企业竞争力水平，有助于企业长远战略发展的需要 (9) 2.3.6增加就业带动相关产业链发展的需要 (9) 2.3.7促进项目建设地经济发展进程的的需要 (10) 2.4项目可行性分析 (10) 2.4.1政策可行性 (10) 2.4.2市场可行性 (10) 2.4.3技术可行性 (11) 2.4.4管理可行性 (11) 2.4.5财务可行性 (11) 2.5无铅焊料项目发展概况 (12)
无铅焊料的开发与应用修订版
无铅焊料的开发与应用 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
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。 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。
无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体(精)
无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体健康而发展起来的，其大致可以分为以下几个阶段： (1)无铅焊料的提出阶段 1991年和1993年，美国参议院提出“Reid Bill”，要求将电子焊料中铅含量控制在0．1％以下。由于当时所有的电子产品都离不开有铅焊料，有铅焊料发展得相当成熟，而在那时人们对生态环境的保护意识还不够，对铅对人体损伤的认识不足，因而没有受到重视。 (2)无铅焊料的发起阶段 从1991年起NEMI、NCMS、NIST、Drr、NPL、PCIF、ITRI、JIEP等组织相继开展无铅焊料的专题研究，耗资超过2 000万美元，目前仍在继续。 (3)无铅焊料的运用阶段 在1998年10月，第一款批量生产的无铅电子产品Panasonic MiniDisc MJ30问世。20世纪90年代中叶，日本和欧盟作出了相应的立法：日本规定2001年在电子工业中淘汰铅焊料，在2004一年禁止生产或销售使用有铅焊料焊接的电子生产设备；而欧美在2006年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备，但是由于无铅焊料还存在技术上的原因，有可能到2008年才能实现电子产品无铅化。 2.无铅焊料的技术要求 无铅焊料应该具备与锡铅体系焊料大体相同的特征，具体目标如下： （1）熔点低，合金共晶温度近似于Sn63/Pb37的共晶焊料相当，具有良好的润湿性；（2）机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能； （3）热传导率和导电率要与Sn63/Pb37的共晶焊料相当，具有良好的润湿性； （4）机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能； （5）要与现有的焊接设备和工艺兼容，可在不更换设备不改变现行工艺的条件下进行焊接。（6）焊接后对各焊点检修容易； （7）成本要低，所选用的材料能保证充分供应。 3.常见的无铅焊料及特性 最有可能替代Sn/Pb焊料的无毒合金是Sn为主，添加Ag、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。 目前常用的无铅焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体，添加适量其它金属元素组成三元合金和多元合金。 （1）Sn-Ag系 锡银系(Sn96.5-Ag3.5)焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。它的状态图如图3.9所示，共晶温度为221℃，与单村的共晶合金状态图相比（图3.8），Ag含量超过50％的成分范围比较复杂。在75％Ag含量附近有一个纵长的区域，写着Ag3Sn，在此成分和温度区域内，Ag3Sn能够稳定地存在。仔细看可以发现，在这个Ag3Sn区域的左侧与二元共晶状态图相似。在Sn和Pb二元合金的情况下，Sn和Pb结晶彼此都能在某种程度上固溶对方的元素，然而Sn中几乎不能固溶Ag。也就是说，所形成的合金组织是由不含银的纯β-Sn 和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织。 图3.9 添加Ag所形成的Ag3Sn因为晶粒细小，对改善机械性能有很大的贡献。随着Ag含量的增加，其屈服强度和拉伸强度也相应增加。从强度方面来说，添加1-2％以上的Ag就能与Sn-Pb共晶焊锡相同或者超过它。添加3％以上的Ag，强度值显著比Sn-Pb共晶焊锡要高，但超过3.5％以后，拉伸强度相对降低。这是因为除了微细的Ag3Sn结晶以外，还形成
无铅焊料的热疲劳特性
无铅焊料的热疲劳特性 对无铅焊料进行热疲劳研究是最近才开始的事情，至今还没有构成完整的寿命预测模型，美国NCMS (NationalCenterforManufacturingSciences）的Lead Free solder project 曾对无铅焊料的热疲劳特性作了大量的研究。 作为焊料接合部热疲劳特性的评价方法，有通过视力对疲劳开裂的评价方法、利用电阻值变化的计测方法、或通过剥离试验对接合部剩余强度进行测定的方法等，对有框架引线类的QFP、PLCC等大多采用剥离试验求出接合部剩余强度再进行评价的方法。 图6.1-图6.4是将QFP 通过Sn-3.5Ag-x系无铅焊料组装于基板后，经热循环测试的器件与基板接合强度变化，及各个循环数的接合强度在初始强度下的减少关系（表示单位mass %）采用的QFP 试件由图6.5 表示（引线间距0.65mm、线数100）。
QFP 的引线电镀了S n-20Pb ，热循环制订二种方式，-30℃-130℃温度范围（△T-160K ）和。0℃-100 ℃温度范围（△T = l00K )，升降速度1.78K/min，保持时间10min，采用气相式温度循环试验机。接合强度使用万能精密拉伸试验机，用0.5mm / min 的十字型滑块速度将引线框对着Cu 焊区垂直方向进行拉伸，在试验次数到30 次后，再用威伯尔曲线图计算出平均拉伸强度。 各焊料接合部的初始强度，除去合金Alloy H ( Sn-7.SBi-ZBi-0.SCu）以外，其余的接合强度都在其以上或同等。Sn-3.5Ag在添加Bi 后，其接合强度有上升的趋势，在2%时其强度达到峰值，其它场合强度都表示了降低趋势，Alloy H 合金所显示的初始强度与其他合金相比是最低的。 在添加Cu 的场合，接合强度同样显示上升，到1%时，比Sn-37Pb 、Sn-3.5Ag 有更好的接合强度。分析AT = 100 K 时各合金热循环和接合强度的关系，不难看出Sn-3.5Ag、添加Cu 后的接合强度下降趋势缓慢，而添加Bi 后，不管哪种合金都随着热循环数的增加接合强度明显下降，对添加Bi比较，Sn-3.5Ag 添加Cu、其强度下降非常少，即进入1200次循环后也不出现热疲劳损伤，具极优异的热疲劳抵抗性，而添加Bi 的合金焊料、其显示的接合强度，有的比Sn-37Pb还低。由此说明，在△T=100K 温度循环下，要保证无铅焊料具Sn-37Pb 以上的热疲劳抵抗性，Bi 添加量的界限为2%。 △T=160K 与△T=100K的比较，强度跌落的斜度较大，与添加Bi 的合金比较，Sn-3.5Ag 和添加Cu 的合金热疲劳特性良好、强度下降系数与△T=100K相同。Sn-3.5Ag的热疲劳抵抗性最好，在1200次循环后强度还保持在初始强度的80%添加Bi的合金强度降低与其浓度有关、在1200次循环后其强度为初始强度的20%程度。添加Cu的合金，明显地受到热疲劳损伤，1200次循环后其强度大体上与Sn-37Pb相同。 热疲劳试验证明，在△T =160K时，特性超过目前Sn-37Pb所具热疲劳抵抗的合金有Sn-3.5Ag或添加1%Cu以下的合金焊料，从合金熔点的观点考虑，Bi的含量多对其合金性
电子产品中的无铅焊料及其应用与发展
- 5 - 电子产品中的无铅焊料及其应用与发展 苏佳佳1,2，文建国2 （1.广东工程职业技术学院，广州 510520；2.广东工业大学，广州 510006） 摘 要：由于传统焊接技术使用的Sn-Pb 焊料中的铅会对环境造成污染而被禁止使用，近年来无铅焊料成为了研究热点。文中介绍了运用于电子产品中的无铅焊料的发展背景、特点及要求。根据应用温度不同，无铅焊料可以分为低温、中温和高温无铅焊料。文章综述了它们各自的应用特点、场合及存在的问题和发展前景。 关键词：无铅焊料；锡银合金；锡锌合金；锡铋合金 中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2007）08-0005-04 Application Feature and Development of Lead-Free Solders Used in Electronical Product SU Jia-jia 1，2 , WEN Jian-guo 2 （1. Guangdong Polytechnic College , Guangzhou 510520, China ;2. Guangdong University of technology , Guangzhou 510006, China ） Abstract: Due to the destroyed to environment, the solders of Sn-Pb which have been used in traditional welding technology are forbidden. And the lead-free solders have been extensively research in these years. In this paper, the developing-background, feature and requirement of lead-free solders which used in electronic product were introduced. According to the application temperature, the solders have three types, which are low-temperature, mid-temperature and high-temperature. And their application features, fields and existing problems were presented respectively. The development of lead-free solders was also described.Key words: lead-free solder; S n-Ag; Sn-Zn; Sn-Bi 收稿日期：2007-05-11 1 引言 焊料从发明到使用，已有几千年的历史。Sn-Pb 焊料以其优异的性能和低廉的成本，得到了广泛的使用。但是，铅及其化合物属于有毒物质，长期使用会给人类生活环境和安全带来危害。因此，限制铅使用的呼声越来越高，各个国家已积极通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用。20世纪90年代初，美国国会提出了关于铅的使用限制法案（HR2479-Lead Based Paint Hazard Abatement Trust Fund Act ，S-1347-Lead Abate-ment Trust Fund Act ，S-729-lead Exposure Reduction Act ），并由NCMS （the National Center for Manu facturing Sciences ）Lead Free Solder Project 等进行无铅焊料的研究开发活动。目前，研究替代Sn-Pb 焊料的无铅焊料主要集中在Sn-Ag 、Sn-Bi 、Sn-Zn 几种合金焊料上[1]。 2 无铅焊料的特点 理想的无铅焊料最好与原来的Sn-Pb 共晶焊料有相同或相近的性能，比如具备低熔点，能像纯金属那样在单一温度下熔融、凝固，具有与Sn-Pb 相同的熔融温度范围、良好的接合性能和浸润性等。对于
无铅焊的发展现状和发展趋势
无铅焊技术的发展现状和发展趋势 摘要 在焊接技术的发展过程中，锡铅合金一直是最优质的、廉价的焊接材料，无论是焊接质量还是焊后的可靠性都能够达到使用要求；但是，随着人类环保意识的加强，“铅”及其化合物对人体的危害及对环境的污染，越来越被人类所重视。随着无铅焊接的逐步应用（这是大势所趋），越来越多的用户开始寻找合适的焊接工具与密管脚芯片返修设备。2006年7月起，进入欧盟市场的电子电气产品将禁用的有害物质包括：镉、六价铬、铅、汞、PBB（多溴联苯）和PBDE （多溴二苯醚）。我国也已制定了相应的法律法规，最后期限也是2006年7月。本文对无铅焊接技术做了主要的介绍。 关键词：焊料趋势工艺窗口设备 Abstract In the process of the development of solder alloys，tin lead has been the most high-quality，low-cost， whether the quality of welding welding materials or reliability of welding is used to achieve requirements，But，as the environmental protection consciousness， strengthen human "and" lead compounds for the harm to human body and pollution to the environment， more and more attention by humans. With the application of lead-free soldering gradually （this is inevitable）， more and more users start looking for the right tools and pipe welding equipment repair feet chips. 2006 July，into the eu market electric products will disable the harmful material include: hexavalent chromium， cadmium， lead，mercury，PBB （br） and PBDE （more spin bromine diphenyl ether）. China has formulated relevant laws and regulations， the deadline is July 2006. In order to make everyone to lead-free soldering have more understanding of lead-free soldering， this paper mainly introduces the doing.
从元素周期表认识无铅焊料的性能
从元素周期表认识无铅焊料的性能 人们对无铅焊料已做了广泛的研究，并已开发出三大系列无铅焊料（表1）。但这几大系列无铅焊料的部分性能，特别是焊接性能/润湿性、焊接温度/工艺性以及经济性等方面，尚不及SnPb焊料。考察这些元素在元素周期表中的位置，我们不难看出，为什么已开发出的无铅焊料在性能上只能部分达到SnPb焊料的水平？或者说，为什么寻找真正能与SnPb合金相同性能的物质是非常非常的困难？ 焊料合金元素在元素周期表中的位置 目前，已经开发成功的无铅焊料的合金成份，基本上由下列元素组成（图1）。元素周期表（表2）显示，这几种元素作为焊膏的合金成分几乎是“非君莫属”。 图1 无铅焊料的基本元素 SnPb合金最符合“相似相融”原则 Sn-Pb焊料几乎有了几千年的历史，至今尚无法完全取代它们，表观上与他们的物化性能有关，而最根本的原因是与Sn、Pb两元素在周期表中的位置有关，它们均是第Ⅳ主族元素，排列位置紧紧相连（Sn 在第五周期内，Pb在第六周期内），就好象同一家族内的弟兄俩一样，血脉相通，它们之间互熔性能好，合金本身不存在金属间化合物（IMC）。 但又由于Pb在元素周期表中是第82号元素位，碳族的末端，属第六周期。而Sn在元素周期表中是
第50号元素，排列在次末端，属第五周期。因为Pb的核电荷数为82，远大于核电荷为50的Sn，故通常Sn可以失去最外层的4个电子形成Sn4+离子，如SnO2，故Sn呈现出明显的金属性能，而Pb原子外层也有4个电子，但因核电荷数有82个，对最外层4个电子有大的引力，故通常Pb只能失去2个电子，形成Pb2+离子，如PbO，故Pb元素的活泼性不及Sn元素的活泼性，因此在使用SnPb焊料焊接金属Cu时，实际上只有Sn参与被焊金属Cu等的结合，而Pb不参与反应，Sn与Cu通过相互扩散的原理，形成金属间化合物Cu6Sn5，焊接学中这种扩散又称之为选择性的扩散，但微观的原因仍是由Sn、Pb元素的原子结构所决定，不同的原子结构显示出Sn的活性要高于Pb。 为何Sn仍将是焊料的基材？ 由于Pb的有害性而将被取代，然而Sn仍是作用优良的焊料基材而被利用，这是因为Sn和其它许多金属之间有良好的亲和作用，它的熔点低，无毒无公害，特别是在地球上储藏量大，价格低，因而仍是一种无法取代的焊料基材，因此所谓的无铅焊料仍是以Sn为基材的焊料，既然Sn的位置已定，从元素周期表来看，任何元素都无法代替Pb而构成类似Sn-Pb合金的焊料。 以Bi为例，Bi是除Pb以外离Sn较近元素，Bi是元素周期中排在第Ⅴ主族（氮族）元素的末位，若从周期上看，Bi排在第六周期期第15列与Pb在同一周期，但Pb排在第14列，根据上述的规律Bi与Sn 不是同族元素，并且Bi的金属性比Pb要弱，表3为Sn、Pb、Bi三者的部分物理常数。 从表3中看出，Bi的非金属性明显比Pb强，Bi是菱状晶体（类似金属晶体），具有脆性，SnBi合金的导电/导热性能不及SnPb合金，Bi与Sn有较好的互熔性，但Sn-Bi合金硬度高，延伸性低，不能拉成丝，一句话SnBi合金焊料不及SnPb合金焊料那样好。 只要将相关金属的熔点同它们与Sn构成的共晶合金比例进行比较（图1），就会发现有一个有趣的规律，即随着金属熔点的降低或者更准确地说，随着金属熔点向Sn熔点的靠近，这些金属与Sn的共晶成份的比例就明显提高（表4），这也形象地验证了“相似相融”的原则。 挑选合金配方不是改进无铅焊料性能的唯一方法 已开发出来的Sn-Zn、Sn-Ag、Sn-Cu合金等无铅焊料的部分性能，特别是焊接性能尚达不到Sn-Pb 焊料的水平，这与它们在元素周期表中的位置以及原子结构有着密切的关系。
无铅焊料的研究进展
无铅焊料的研究进展 姓名：张明康 学号：201130410367 学院: 材料科学与工程 专业：金属材料科学与工程
摘要 随着电子工业的飞速发展和人们环保意识的提高，电子封装行业对无铅焊料提出了更高的要求，本文综述了无铅焊料的研究现状，存在的问题，并重点阐述稀土元素对无铅焊料性能的影响。 关键词：无铅焊料，电子封装，稀土 ABSTRACT With the rapid development of electronic industry and the improvement of environmental awareness, electronic packaging industry, puts forward higher requirements on lead-free solder, lead-free solder was reviewed in this paper the research status, existing problems, and focus on the effect of rare earth elements on the properties of lead-free solder. Key words: Lead-free solder, electronic packaging, rare earth 1 前言 长期以来，铅锡焊料由于具有较低的熔点、良好的性价比以及已获得性，成为低温含量中最主要的焊料系列。但是由于所含铅的比例较高，给环境带来了严重的污染，近年来随着人们环保意思的增强和对健康的关注，铅的污染越来越受到人们的重视。欧盟RoHS及WEEE法令的颁布，严格要求在电子信息产品中不得含有铅等有毒元素。严格的禁铅条例使电子封装产业对无铅含量提出了更高的要求，已经成熟的锡铅焊料必须被性能相近或更高的无铅焊料所替代。世界各国都在对无铅焊料进行了大量的研究，无铅焊接技术也得到了较大的发展，但仍存在着许多问题。 2 无铅焊料的研究现状
无铅分析报告
分析报告 测试名称：焊点的可靠性分析 Testing Name：Solder joint reliability analyzing 测试机构：无铅焊接研发中心 Testing Organization：Lead-free Soldering R&D Center 报告分析人：胡强，李大乐 Report Analyzer：HU Qiang,LEE Da-le 测试日期：2004-11-6 Test Date：2004-11-6 测试板的工艺参数如表1所示 表1测试板的工艺参数 参数值 PCB材质 PCB厚度（mm） 1.6 引脚镀层 焊盘镀层 焊料牌号M705 焊料成分Sn-3.0Ag-0.5Cu 助焊剂牌号ESR-260S 助焊剂流量（ml/min） 波峰焊设备名称Suneast SAC-3JS 轨道传输速度（m/min） 1.2 预热温度（℃）130,135 锡炉温度（℃）265 冷却速度（℃/s） 5.7 通过体式显微镜对PCB焊点的表面进行观察，存在焊点表面裂纹等焊接缺陷，如图1所示。 图1焊点的表面裂纹 从图中可以看出，表面裂纹发生在焊点的弯月面位置，而且裂纹方向大部分平行于元器件引线。通过对PCB其它焊点表面裂纹的观察，基本上都存在这种方向性。通过对表面
裂纹的高倍观察，发现表面裂纹并没有延伸到焊点底部，终止于很浅的位置，如图1所示。为了更好的观察裂纹增长的长度和分析裂纹产生的原因，对焊点作截面分析，如图2所示。 图2裂纹的截面图 裂纹产生的原因是多方面的，PCB所用的材料、无铅焊料的特性、焊接工艺等因素不当都有可能产生裂纹这种焊接缺陷。 1．当PCB的线膨胀系数过大时，在冷却过程中容易产生较大的收缩量，从而容易在焊点凝固过程中产生内应力，导致裂纹的产生。 2．无铅焊料的特性是否满足要求，最好是共晶成分，特别不能受到铅的污染。另外如果无铅焊料中含有合金元素Bi，则更容易产生裂纹。 3．对于工艺因素来说，预热温度应当适中，避免波峰焊接时对PCB的热冲击，造成PCB的热变形，造成裂纹的产生，同时建议采用焊后快速冷却，可以避免裂纹的产生。 从图1和图2中分析可知，裂纹尖端比较圆滑，从而说明裂纹是在冷却过程中产生的液相裂纹，其原因是由于PCB的收缩产生向下的应力，靠近元器件引线的钎料收缩亦产生内应力，从而在焊点位置出现应力集中，当焊点局部冷却速率相对于其它位置较慢时，钎料之间的结合力相对较弱，很容易产生这种液相裂纹。 产生裂纹的最主要原因就是PCB材质，当PCB材质的线膨胀系数较大时，在焊接过程中产生较大的变形，从而很容易产生裂纹等焊接缺陷。特别是对于无铅焊接，由于预热稳定的升高和焊接温度的升高，对PCB材质的要求更高，要求更高Tg值的PCB材质，以满足无铅焊接的要求。 通过对热冲击试验板的分析，发现此种圆滑尖端的裂纹并没有扩展，从而更进一步说明了此种裂纹是在焊接过程种产生的液相裂纹。通过热冲击试验后在PCB焊点中出现了极少量的微裂纹，如图3所示。 图3热冲击中形成的微裂纹 从图中可知，此种裂纹终止于尖端，产生的原因是固态下由于内应力的作用产生的撕裂，明显不同于液相裂纹的圆滑尖端。 通过对PCB焊点的分析，无铅钎料对焊盘和元器件引线的润湿性以及通孔的填充性都
无铅焊料的新发展
无铅焊料的新发展 前言 锡铅焊料是电子组装焊接中的主要焊接材料，以其优质的性能和低廉的成本，一直被人们所重视。但众所周知铅及它的化合物是有毒物质，人类如长期接触会给生活环境和安全带来较大的危害。其中铅对儿童的危害更大，会影响其智商和正常发育。人类为避免这方面的问题，限制使用甚至禁止使用有铅焊料的呼声越来越高。最终拥有悠久历史的传统型锡铅焊料，将会逐渐被新的绿色环保型焊料所替代。如无铅汽油的广泛使用就是一个很好的范例。世界各国都纷纷开展无铅焊料的研究工作。特别是欧美、日本等一些发达国家在无铅化的研究和应用上非常重视，已经走在世界前列。二十世纪末日本已有多家知名公司相继使用无铅焊料进行批量生产。Panasonic 1998年9月就开始在批量生产盒式收录机中使用Sn-Ag-Bi(In)，还有NEC、SONY、TOSHIBA、HITACHI等公司先后用无铅焊料进行批量生产，同时都制定了全面推行无铅化的期限。 2 无铅焊料的介绍 传统锡铅焊料，它是利用Sn63Pb37为锡铅低共熔点，其共晶温度是183℃，与目前PCB的耐热性能接近，并且具有良好的可焊
性、导电性以及较低的价格等优点而得到广泛使用。无铅焊料是利用锡与其它金属如铜、铋、银等金属的合金在共晶点或非 共晶点出现的共熔现象制成的焊料。作为锡铅共晶焊料合金的替代材料，无铅焊料应该在融点、机械特性和物理特性等方面同锡铅共晶焊料合金接近，且供应材料充足，毒性弱并能在现有的设备中运用现有的工艺条件进行使用。 2.1 无铅焊料的具体要求 无铅焊料应该具备与锡铅体系焊料大体相同的特征，具体目标如下： (1)替代合金应是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉和碲，是毒性的；其它金属，如锑、铟，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。 (2)熔点应同锡铅体系焊料的熔点(183℃)接近，不应超过200℃。 (3)供应材料必须在世界范围内容易得到，数量上满足全球的需求。某些金属--如铟(Indium)和铋(Bismuth)--数量比较稀少，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。 (4)替代合金还应该是可循环再生的，如将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并且增加其成本。
无铅焊料的新发展
无铅焊料的新发展 .、八、一 前言 锡铅焊料是电子组装焊接中的主要焊接材料，以其优质的性能和低廉的成本，一直被人们所重视。但众所周知铅及它的化合物是有毒物质，人类如长期接触会给生活环境和安全带来较大的危害。其中铅对儿童的危害更大，会影响其智商和正常发育。人类为避免这方面的问题，限制使用甚至禁止使用有铅焊料的呼声越来越高。最终拥有悠久历史的传统型锡铅焊料，将会逐渐被新的绿色环保型焊料所替代。如无铅汽油的广泛使用就是一个很好的范例。世界各国都纷纷开展无铅焊料的研究工作。特别是欧美、日本等一些发达国家在无铅化的研究和应用上非常重视，已经走在世界前列。二十世纪末日本已有多家知名公司相继使用无铅焊料进行批量生产。Panasonic 1998年9 月就开始在批量生产盒式收录机中使用Sn-Ag-Bi(In) ，还有NEC、SONY、TOSHIBA 、HITACHI 等公司先后用无铅焊料进行批量生产，同时都制定了全面推行无铅化的期限。 2 无铅焊料的介绍 传统锡铅焊料，它是利用Sn63Pb37 为锡铅低共熔点，其共晶温 度是183C,与目前PCB的耐热性能接近，并且具有良好的可焊 性、导电性以及较低的价格等优点而得到广泛使用。无铅焊料是利用锡与其它金属如铜、铋、银等金属的合金在共晶点或非共晶点出现
的共熔现象制成的焊料。作为锡铅共晶焊料合金的替代材料，无铅焊料应该在融点、机械特性和物理特性等方面同锡铅共晶焊料合金接近，且供应材料充足，毒性弱并能在现有的设备中运用现有的工艺条件进行使用。 2.1 无铅焊料的具体要求 无铅焊料应该具备与锡铅体系焊料大体相同的特征，具体目标如下： (1) 替代合金应是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉和碲，是毒性的；其它金属，如锑、铟，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。 ⑵熔点应同锡铅体系焊料的熔点(183 C)接近，不应超过200 Co (3) 供应材料必须在世界范围内容易得到，数量上满足全球的需 求。某些金属--如铟(Indium)和铋(Bismuth)--数量比较稀少，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。 (4) 替代合金还应该是可循环再生的，如将三四种金属加入到无铅 替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并且增加其成本。 (5) 机械强度和耐热疲劳性要与锡铅体系焊料大体相同
无铅焊料1
无铅焊料 常见无铅焊料合金性能介绍 无铅焊料成为电子组装行业的主要焊接材料。无铅焊料地发展过程中，各种各样的无铅焊料不断涌现，对于无铅焊料合金的组织结构特点和性能的了解就显的十分重要。由于ROHS 指令和WEEE指令在欧洲会议获得批准，2006年7月开始欧洲将禁止含铅电子产品的销售，同时中国也开始进入了无铅化的时代，这都使无铅焊料成为了必然。对于电子行业来说无铅焊料的选择成为了一个关键的问题。为此，材料界进行了大量的研究工作，试图找出可以替代Sn－Pb焊料的无铅焊料。现在各种系别组成的无铅焊料合金有很多种，其中主要有：Sn －Ag、Sn－Zn、Sn－Bi、Sn－Cu等二元合金以及在此基础上添加其他合金元素形成的三元、四元乃至五元合金。下面就对现今主要的无铅焊料合金组织结构及性能进行介绍。 Sn－Ag系列 Sn－Ag系焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。典型的组成比例是Sn96.5-Ag3.5，其熔点为221℃。这种焊料所形成的合金组织是由不含银的纯β－Sn和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织。添加Ag所形成的Ag3Sn因为晶粒细小，对改善机械性能有很大的贡献。随着Ag含量的增加，其屈服强度和拉伸强度也相应增加。从强度方面来说，添加1-2％以上的Ag就能与Sn-Pb共晶焊锡相同或者超过它。添加3％以上的Ag，强度值显著比Sn-Pb 共晶焊锡要高，但超过3.5％以后，拉伸强度相对降低。这是因为除了微细的Ag3Sn结晶以外，还形成了最大可达数十微米的板状Ag3Sn初晶。形成粗大的金属间化合物不仅使强度降低，而且对疲劳和冲击性能也有不良影响，因此对Ag的含量和金属界面的金属间化合物要进行认真的考究。 在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点，而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中铜的浸析。Sn－Ag－Cu无铅焊料是目前被认为最接近实用化的Sn－Pb焊料替代品，也是目前无铅焊料得首选。典型的组成比例是Sn3.0Ag0.5Cu，熔点为216~217℃。Sn与次要元素Ag和Cu之间的冶金反应是决定应用温度、同化机制及机械性能的主要因素。在这三元素之间有三种可能的二元共晶反应。在温度动力学上Sn更适合与Ag或Cu反应，来形成Ag3Sn或Cu6Sn5金属间化合物。Ag3Sn细微结晶具有相当长的纤维状组织。Ag与Cu一样也是几乎不能固溶于β-Sn的元素。较硬的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子在锡基质的锡银铜三重合金中，可通过建立一个长期的内部应力，有效地强化合金。这些硬粒子也可有效地阻挡疲劳裂纹的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔较细小的锡基质颗粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越细小，越可以有效地分隔锡基质颗粒，结果是得到整体更细小的微组织。这有助于颗粒边界的滑动机制，因此延长了提升温度下的疲劳寿命。Sn3.0Ag0.5Cu焊点中Sn先结晶，以枝晶状（树状）出现，中间夹Cu6Sn5和Ag3Sn。当Cu 含量在0.5~1.3﹪，Ag含量在3.0~3.5﹪时可以得到比较好的合金性能。 Sn－Zn系列 Sn－Zn系无铅合金的典型组成比例为Sn9Zn，熔点是199℃，被认为是最有发展潜力的无铅焊料。Sn、Zn元素以固溶体的形式构成合金，说明了Sn－Zn有较好的互熔性。Zn能均匀致密的分散在Sn中。但由于存在润湿性和抗氧化性差等问题曾被认为是一种并不理想的无铅焊料。近年来对Sn－Zn系合金润湿的研究取得了明显进展，在Sn－Zn中添加Bi焊料是目前研究较为广泛的无铅合金材料。Bi是一种表面活性元素，在熔融状态下，Bi元素能够向溶体表面富集，导致合金的表面张力减小。因此，Bi的加入提高了合金的润湿性能，研究表明在Sn－9Zn为共晶合金的基础上加入Bi虽然提高了合金的润湿性，但往往伴随着焊料力学性能的下降，通过调节合金中Zn的含量，能够减少初生Zn相的生成，在提高润湿性（缩短润湿时间）的条件下降低由于Bi的加入带来的力学性能恶化效果。Sn8Zn3Bi合
无铅焊接的质量和可靠性分析报告
无铅焊接的质量和可靠性分析 前言： 传统的铅使用在焊料中带来很多的好处，良好的可靠性就是其中重要的一项。例如在常用来评估焊点可靠性的抗拉强度，抗横切强度，以及疲劳寿命等特性，铅的使用都有很好的表现。在我们准备抛弃铅后，新的选择是否能够具备相同的可靠性，自然也是业界关心的主要课题。 一般来说，目前大多数的报告和宣传，都认为无铅的多数替代品，都有和含铅焊点具备同等或更好的可靠性。不过我们也同样可以看到一些研究报告中，得到的是相反的结果。尤其是在不同PCB焊盘镀层方面的研究更是如此。对与那些亲自做试验的用户，我想他们自然相信自己看到的结果。但对与那些无能力资源投入试验的大多数用户，又该如何做出选择呢？我们是选择相信供应商，相信研究所，还是相信一些形象领先的企业？我们这回就来看看无铅技术在质量方面的状况。 什么是良好的可靠性？ 当我们谈论可靠性时，必须要有以下的元素才算完整。 1．使用环境条件（温度、湿度、室内、室外等）； 2．使用方式（例如长时间通电，或频繁开关通电，每天通电次数等等特性）； 3．寿命期限（例如寿命期5年）； 4．寿命期限内的故障率（例如5年的累积故障率为5%）。 而决定产品寿命的，也有好几方面的因素。包括： 1． DFR（可靠性设计，和DFM息息相关）； 2．加工和返修能力； 3．原料和产品的库存、包装等处理； 4．正确的使用（环境和方式）。 了解以上各项，有助于我们更清楚的研究和分析焊点的可靠性。也有助于我们判断其他人的研究结果是否适合于我们采用。 由于以上提到的许多项，例如寿命期限、DFR、加工和返修能力等等，他人和我的企业情况都不同，所以他人所谓的‘可靠’或‘不可靠’未必适用于我。而他人所做的可靠性试验，其考虑条件和相应的试验过程，也未必完全符合我。这是在参考其他研究报告时用户所必须注意的。 您的无铅焊接可靠性好吗？