焊料cte分析

无铅焊料的选择与对策

Choice of Lead-free Solder and its Countermeasure

罗道军刘瑞槐*

（中国赛宝实验室,广州，510610;*特尔佳电子有限公司,东莞523900）

摘要本文通过大量的数据信息分析了各研究机构在无铅焊料方面的研究成果，在目前流行使用

的无铅焊料的基础上，进一步研究并比较了其中的Sn-Cu系列与具有专利限制的SnAgCu系列

焊料在消费类电子产品组装的波峰焊工艺中使用的可靠性，同时研究并比较Sn-Ag系列焊料与

SnAgCu系列焊料在回流焊工艺使用的情况。结果表明，Sn-Cu共晶焊料在消费类电子产品组装

的波峰焊工艺中完全可以取代Sn-Ag-Cu系列焊料，同时满足使用要求；而同样技术成熟的Sn-

Ag共晶焊料也完全可以取代SnAgCu系列焊料在回流焊工艺使用，焊点的可靠性与成本可以比

美SnAgCu焊料，而且该二元合金在使用维护以及回收利用方面具有相当的优势。因此，国内

相关企业应大力推动使用无专利限制的SnAg与SnCu共晶焊料，以改变国外专利产品在电子制

造领域的统治地位，使我国企业在无铅化电子制造的潮流中占有一席之地。

关键词：无铅焊料可靠性选择与对策SnAgCu SnAg SnCu 共晶焊料

前言

随着欧盟WEEE 与RoHS 的两个指令的实施日益临近以及国内电子产品污染防治办法的即将出台。国内电子制造业与焊料制造业的全面无铅化将越来越紧迫，在面临技术和设备升级与制造成本的巨大压力的同时，还面临具有技术优势的国外材料制造商在专利技术的限制，使得无专利的国内制造商尤其是材料供应商损失巨大的市场机会。其实，仔细研究无铅焊料的研究过程与技术细节，我们可以找到很好的突破口，即技术成熟以及可靠性数据丰富的二元共晶合金SnCu 与SnAg 分别在波峰焊工艺与回流焊工艺的使用方面与SnAgCu 焊料具有相当的竞争力，而在成本、维护以及回收再利用方面更是具有优势，并且不受专利使用的限制。

本文将通过分析已有的研究成果，分析比对SnAg、SnCu 与SnAgCu 的技术性能数据以及它们的应用情况，并且进一步通过实验研究了SnAg 与SnAgCu 在回流工艺中的性能表现。为国内企业在电子制造业中创造更多的市场机会寻找突破。

1 目前业界流行的无铅焊料使用情况

无铅焊料的配方专利至今据不完全统计已经超过100多项，可是真正实用化并为大家所接受的焊料并不多，并逐渐减少，原因是纷乱复杂多组成的无铅焊料会给电子制造业带来很大的成本；另一方面对无铅焊料替代共晶有铅焊料的要求也越来越高，比如(1) 电、力学性能良好、(2) 润湿性良好、

(3) 无潜在电解腐蚀或晶须生长、(4) 成本适中、(5) 可被加工成各种不同形式、(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润湿、(7) 能够与市场上现行的波峰焊、SMT 和手工组装兼容等等。因此，对于取代SnPb共晶焊料的无铅焊料替代品，目前业界比较统一的认识就集中在SnAgCu（SAC）、SnAg以及SnCu共晶焊料，从纯技术的角度，SAC合金被认为是最佳的选择。而SAC合金组成比例则有不同的看法和选择（详见表1），最近为了确定最佳的替代组成以进一步提升焊料制造商及客户的市场竞争力，IPC联合世界上各著名的材料制造商成立了“焊品价值委员会（Solder Product Value Council）”

[1]共同研究比较各组成SAC 的性能和可靠性，以期作为锡铅共晶合金的最佳替代者。

表1 各组织或机构推荐使用的锡铅共晶焊料替代合金[From: 等]

至于二元合金的共晶合金比例是比较固定的，由于SnCu的熔点温度偏高，以及润湿性偏低限制其在SMT回流工艺上的使用，但在波峰焊工艺上的使用量上甚至超过SAC合金。而SnAg则各种工艺上广泛采用，这从SOLDERTEC公司在整个欧盟的调查[2]情况可以看出，分别见图1～2。综合以上分析，可以发现SAC、SnAg以及SnCu共晶焊料将是无铅焊料的最佳选择。

图1 用于回流焊工艺合金选择调查（欧洲）图2 用于波峰焊工艺的合金选择调查（欧洲）

2 无铅焊料的性能比较

为了给电子制造商对无铅焊料的使用选择上提供依据，我们首先对最广泛使用的几个候选合金的技术性能与可靠性进行比较，然后材料的用户再根据客户的要求、自己产品的特点以及成本的分析作出最佳的选择。在没有现成无铅工艺技术标准的前提下，将其与锡铅共晶焊料的指标一起比较。

2.1 物理性能

影响电子制造工艺以及其产品可靠性的焊料物理性能主要包括：熔点温度（或液相线与固相线）、表面张力、密度、电阻率、热导率以及热膨胀系数，详见表2。在熔点方面，低或越接近铅锡共晶焊料将越有利，可以降低高温对元器件、PCB的损伤以及减少能耗，这方面SAC合金具有一定的优势；这方面SnCu的较差，只能在波峰焊工艺上使用。表面张力则会影响焊料的润湿性能，这方面SnAg合金较好，且由于银的抗氧化性能稍好，使得氮气保护对其无明显效果，因此使用该焊料可不必使用氮气保护，节约制造成本。各无铅焊料在密度方面没有明显差异。电阻率方面SnAg合金表现最好，造成传输信号的损失最小。热导率越大焊点的散热越快，可以改善器件的可靠性，而热导率各候选者间则没有明显差别。在C TE方面由于缺乏相关数据无法进行比较，但都比铅锡共晶焊料大，将会拉大对铜焊盘的差距，显然对疲劳寿命影响会增大。

表2 部分无铅焊料的物理参数

2.2 机械性能

焊点的机械强度性能除了工艺的影响以外，主要由材料的性能来决定，材料性能中与焊点性能密切相关的主要包括抗拉强度、剪切强度与延展率，前二者主要影响焊点的强度以及PCBA互连的可靠性，而延展率则决定焊材在使用或加工时的适应性，各焊料的延展率均无明显差异，都可以满足制造与使用的要求。但是机械性能或强度这方面，各研究报告给出的结果差别明显，可能是受工艺的影响的缘故。表3与图3仅给出部分数据。可以看出，在强度方面，除了SnCu的抗拉强度较低外，其余无铅焊料差别不大，但基本都比铅锡共晶焊料的强，其实也就满足了替代锡铅共晶焊料的要求。

表3 各无铅材料的机械性能（Source From：NPL）