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

电子与封装第７卷第８期

无铅焊料替代原来共晶有铅焊料的主要要求是：（1）成本适中；（2）电、力学性能良好；（3）浸润性良好；（4）无潜在的电解腐蚀或晶须生长；（5）可被加工成各种形状；（6）可采用现有的焊剂系统，不需要采用氮气保护就能促进有效浸润；（7）能够与市场上流行的波峰焊、SMT和手工组装等工艺兼容[2]。表1列出了一些不同熔点的候补合金系列。

表1 熔点靠近183℃的候补合金系列

目前研究与开发的无铅焊料主要有Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi三个合金体系，Sn-Ag系焊料，具有优良的力学性能，其拉伸强度、蠕变特性及耐热老化性都比Sn-Pb共晶焊料优越，延展性比Sn-Pb共晶焊料稍差，但不存在延展性随时间延长而劣化的问题。Sn-A g系焊料熔点偏高，通常比Sn-Pb共晶焊料要高30℃~40℃，浸润性差，而且成本高。熔点和成本是Sn-Ag系焊料存在的主要问题[3,4]。Sn-Zn系焊料，力学性能好，拉伸强度比Sn-Pb共晶焊料好，与Sn-Pb焊料一样，可以拉制成线材使用；具有良好的蠕变特性，至断裂的时间长。该体系合金最大的缺点是Zn极易氧化，浸润性和稳定性差，且具有一定的腐蚀性[5，6]。Sn-Bi系焊料实际上是以Sn-Ag（Cu）系合金为基体，添加适量的Bi组成的焊料合金，合金的最大优点是降低了熔点，使其与Sn-Pb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[7]。

3 无铅焊料的分类及性能

根据合金应用温度高低可将无铅焊料大致分为高温无铅焊料、中温无铅焊料和低温无铅焊料。

3.1 低温无铅焊料

低温无铅焊料主要应用于焊接表面承受温度较低的场合。低温焊接是指焊接温度介于50℃~183℃之间，到目前为止，构成低温无铅焊料的合金体系主要是由Sn、Bi和In中两种或三种元素形成共晶合金[8]。表2列出了由此三种金属构成的低温合金焊料的熔点及基本特性。

表2 低温焊料的固相/液相线及基本特性

低温无铅焊料的主要特点是能在183℃以下进行焊接，对元件适应性强，具有良好的耐热循环疲劳性，节约能源。资料显示，Sn-Bi在较宽的温度范围内与Sn-Pb 有相同的弹性模量，其延伸性也较低。在Sn-Bi中添加1wt％的Ag可提高其耐疲劳性。在蠕变特性比较中，Sn-Bi比Sn-Pb的蠕变速度小，但拉伸强度比Sn-Pb高出近1/3，浸润性大致相同，热膨胀系数同其他无铅焊料相比较低[8,9]。

3.2 中温无铅焊料

Sn-Zn系中温无铅焊料在日本使用很广泛，是无铅焊料中唯一与锡铅系焊料的共晶熔点相接近的，其熔点大致在198℃，与Sn-Pb的工艺设备兼容[10]；可以用在耐热性不好的元器件焊接上，并且成本较低。固相线和液相线之间的温度区间较窄，连接强度高[11]。但是在大气中使用表面会形成很厚的锌氧化膜，用于波峰焊生产时会出现大量的浮渣，因此必须要在氮气下使用或添加能溶解锌氧化膜的强活性焊剂，才能确保焊接质量，同时存在浸润性差的缺点。现有许多研究采取微合金化的方法，如加入P、Ga、Ge、RE（La、Ce）等元素提高其浸润性能[6]。制成锡膏时由于锌的反应活性较强，故需采取相应措施以保证锡膏的存放稳定性和增加其浸润性 [12]。日本厂家通过改良焊剂，可以在大气中钎焊，实装效果不亚于Sn-Pb焊料。但Sn-Zn系焊料与其他Bi焊料一样，存在与Sn-P b电镀层的兼容问题。目前，添加3％Bi的Sn-Zn合金已经达到实用化，但二次返修时，仍存在脱焊现象[13]。表3为各种类型中温焊料的熔点及基本特性。

-　6 -