无铅焊接的可靠性.

无铅焊接的可靠性

考虑到环境和健康的因素，欧盟已通过立法将在2008年停止使用含铅钎料，美国和日本也正积极考虑通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用。铅的毒害目前全球电子行业用钎料每年消耗的铅约为20000ｔ，大约占世界铅年总产量的5%。铅和铅的化合物已被环境保护机构(ＥＰＡ)列入前17种对人体和环境危害最大的化学物质之一。无铅钎料目前常用的含铅合金焊料粉末有锡一铅（Sn-Pb）、锡一铅一银（Sn-Pb-Ag）、锡一铅一铋（Sn-Pb-Bi）等，常用的合金成分为63%Sn/37%Pb以及62%Sn/36%Pb/2%Ag。不同合金比例有不同的熔化温度。对于标准的Sn63和Sn62焊料合金来说，回流温度曲线的峰值温度在203到230度之间。然而，大部分的无铅焊膏的熔点比Sn63合金高出30至45度，因此，无铅钎料的基本要求目前国际上公认的无铅钎料定义是:以Sn为基体，添加了Ag、Cu、Sb、In其它合金元素，而Pb的质量分数在0.2%以下的主要用于电子组装的软钎料合金。无铅钎料不是新技术，但今天的无铅钎料研究是要寻求年使用量为5～6万吨的Sn-Pb钎料的替代产品。因此，替代合金应该满足以下要求:

(1)其全球储量足够满足市场需求。某些元素，如铟和铋，储量较小，因此只能作为无铅钎料中的微量添加成分;

(2)无毒性。某些在考虑范围内的替代元素，如镉、碲是有毒的。而某些元素，如锑，如果改变毒性标准的话，也可以认为是有毒的;

(3)能被加工成需要的所有形式，包括用于手工焊和修补的焊丝;用于钎料膏的焊料粉;用于波峰焊的焊料棒等。不是所有的合金能够被加工成所有形式，如铋的含量增加将导致合金变脆而不能拉拔成丝状;

(4)相变温度(固/液相线温度)与Sn-Pb钎料相近;

(5)合适的物理性能，特别是电导率、热导率、热膨胀系数;

(6)与现有元件基板/引线及PCB材料在金属学性能上兼容;

(7)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;

(8)良好的润湿性;

(9)可接受的成本价格。

新型无铅钎料的成本应低于 22.2/ｋｇ，因此其中In的质量分数应小于

1.5%，Bi含量应小于

2.0%。早期的研发计划集中于确定新型合金成分、多元相图研究和润湿性、强度等基本性能考察。后期的研发计划主要集中于五种合金系列:SnCu、SnAg、SnAgCu、SnAgCuSb和SnAgBi。并深入探讨其疲劳性能、生产行为和工艺优化。表2.3 ＮＣＭＳ美国国家制造科学中心提出的无铅钎料性能评价标准ＩＰＣ也于2000年6月发布了研究报告“A guide line for assembly of lead-free electronics”。

目前国际上关于无铅钎料的主要结论如下:现在已经有很多种无铅钎料面世没有一种能够为SnPb钎料的直接替代提供全面的解决方案。

(1)对于某些特殊的工艺过程，某些特定的无铅钎料可以实现直接替代;

(2)目前而言，最吸引人的无铅钎料是Sn-Ag-Cu系列。其他有潜力的组合包括Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag和Ｓn-Ag-Bi;

(3)目前还没有合适的高铅高熔点钎料的无铅替代品;

(4)目前看来，钎剂的化学系统不需要进行大的变动;

(5)无铅钎料形成焊点的可靠性优于SnPb合金。

几种无铅钎料的对比

(1)SnCu:价格最便宜;熔点最高;力学性能最差。

(2)SnAg:力学性能良好，可焊性良好，热疲劳可靠性良好，共晶成分时熔点为221℃。SnAg和SnAgCu组合之间的差异很小，其选择主要取决于价格、供货等其他因素。

(3)SnAgCu(Sb):直到最近几年才知道Sn-Ag-Cu之间存在三元共晶，且其熔点低于Sn-Ag共晶，当然该三元共晶的准确成分还存在争议。与Sn-Ag和Sn-Cu相比，该组合的可靠性和可焊性更好。而且加入0.5%Sb后还可以进一步提高其高温可靠性。

(4)SnAgBi(Cu)(Ge):熔点较低，200～210℃;可靠性良好;在所有无铅钎料中可焊性最好，已得到Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ确认;加入Cu或Ge可进一步提高强度;缺点是含Bi带来润湿角上升缺陷的问题。

(5)SnZnBi:熔点最接近于Sn-Pb共晶;但含Zn带来很多问题，如钎料膏保存期限、大量活性钎剂残渣、氧化问题、潜在腐蚀性问题。目前不推荐使用。 2.2 选择合金由上，本次回流工艺设计焊料合金采用Sn/Ag/Cu合金

（Sn/Ag3.0/Cu0.5），因为该合金被认为是国际工业中的首选并且得到了工业和研究公会成员的推荐。因为虽然一些公会还提议并且研究了另一种合金

Sn/0.7Cu（质量百分比），一些企业在生产中也有采用这种合金。但是相对

Sn/Cu合金的可靠性和可湿性，另外考虑到在回流焊和波峰焊中采用同种合

金，Sn/Ag/Cu合金便成为工艺发展试验最好的选择。 Sn/Ag3.0/Cu0.5合金性能：溶解温度：固相线217℃/液相线220℃；成本：0.10美元/cm3 与Sn/Cu 焊料价格比：2.7 机械强度：48kg/mm2 延伸率：75％湿润性：良由

Sn/Ag/Cu合金性能可知：焊料合金熔融温度比原Sn/Pb合金高出36℃，形成商品化后的价格也比原来提高。工艺焊接温度采用日本对此合金焊料的推荐工艺曲线，见图2.1。

日本推荐的无铅回流焊典型工艺曲线说明：推荐的工艺曲线上有三个重要点：（1）预热区升温速度要尽量慢一些（选择数值2～3℃/s），以便控制由焊膏的塌边而造成焊点的桥接、焊锡球等。

（2）预热要求必须在（45～90sec、120～160℃）范围内，以控制由PCB基板的温差及焊剂性能变化等因素而发生回流焊时的不良。

（3）焊接的最高温度在230℃以上，保持20～30sec，以保证焊接的湿润性。冷却速度选择-4℃/s 6 回流焊中出现的缺陷及其解决方案焊接缺陷可以分为主要缺陷、次要缺陷和表面缺陷。凡使SMA功能失效的缺陷称为主要缺陷；次要缺陷是指焊点之间润湿尚好，不会引起SMA功能丧失，但有影响产品寿命的可能的缺陷；表面缺陷是指不影响产品的功能和寿命。它受许多参数的影响，如焊膏、基板、元器件可焊性、印刷、贴装精度以及焊接工艺等。我们在进行SMT工艺研究和生产中，深知合理的表面组装工艺技术在控制和提高SMT生产

质量中起着至关重要的作用。

回流焊中的锡珠

(1) 回流焊中锡珠形成的机理回流焊中出现的锡珠（或称焊料球），常常藏于矩形片式元件两焊端之间的侧面或细间距引脚之间，如图6.1、6.2。在元件贴装过程中，焊膏被置于片式元件的引脚与焊盘之间，随着印制板穿过回流焊