电子产品无铅焊接

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综述
航天制造技术
电子产品无铅焊接工艺和实施方法探讨
北京航天数控系统有限公司 北京计算机技术及应用研究所 摘要 滕 云 顾本斗
综述了国外无铅焊接技术规定、无铅焊料的开发及无铅焊料的种类、性能比
较。由于铅对人体危害严重,法定所有的电子设备中禁止使用铅等有害物质。无铅焊接 是大势所趋,航天电子产品只有顺应潮流,学习总结国内外先进的无铅焊接工艺,合理 的选择焊料、印制板涂层/镀层,制定无铅焊接的工艺标准,才能保证航天电子产品无铅 焊接的质量。 关键词 1 引言 当前国内外 ROHS 指令已开始执行, 由于铅对人 体危害严重,指令法定所有的电子设备中禁止使用铅 等有害物质, 无铅焊接已在全球推广。 在此大环境下, 航天系统也受到影响,如有不少单位,从国外采购的 元器件,大都已采用无铅镀层,但工艺人员仍采用有 铅工艺、设备、标准,进行有铅、无铅器件混合组装, 导致了某些型号的产品,重复出现焊接质量问题。无 铅焊接是大势所趋,航天电子产品只有顺应潮流,学 习国内先进的无铅焊接工艺,总结经验,合理选择焊 料,印制板涂层/镀层,制定无铅焊接的工艺标准,采 用无铅焊接工艺,以保证航天电子产品的质量。 2 焊接无铅化的背景 铅锡合金作为焊接材料已有悠久的历史。航天电 子产品采用 Sn63/Pb37 共晶铅锡焊料, 已有半个世纪。 由于该材料导电性好,抗蚀性强,熔点低(只有 183℃) ,焊接时润湿好,焊点具有良好的机械性能, 而且资源丰富,价格便宜。焊点的质量和可靠性,较 容易得到保证,到目前为止,没有任何一种无铅焊料 的综合性能超过这种焊料。 但随着电子工业的飞速发展,人们环境意识的增 强,逐渐认识到铅对人类危害性严重。工人在焊接过 程中,有大量的含铅蒸汽排出,污染环境,大量含铅 电子产品 无铅焊接 焊接工艺 无铅焊料
在 2000 年,美国制造科学中心(NCMS) 的合作 伙伴,国家电子制造倡导协会(NEMI),它包括商业和 电子产品制造商, 半导体制造商, 材料、 设备供应商, 电子产品销售服务商。向国内推荐用 Sn-3.8Ag-0.7Cu 表2
密度 合金成分 Sn63/Pb37 Sn-3.8Ag0.7Cu Sn96.5/ Ag3.5 /gmm 8.5 7.5
-2 2 m
固/液点 ℃/共晶 共晶 183 216/217
膨胀系数 (CTE)10 /℃ 24.4 23.5
-6
表面强力 260℃mN/CM 490 548
热传导率 /W·mk-1 57.9 73.2
7.29
共晶 221
22
14
12.31
480
55.3
*IACS 是相对标准退火铜线电导率的百分率比,数值大,导电性能好。
当前国内外 SMT 再流焊大都采用 Sn-Ag-Cu 三种
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近共晶无铅焊料, 占用户 70%以上, 手工焊采用 Sn-Ag
综述 共晶焊锡。 NEMI 目标在 2001 年, 使美国公司有能力生产无 铅电子产品,到 2004 年全部取消铅的使用,并为无 铅电子产品做好材料和工艺的准备,同时与元器、印 制板和设备制造商合作,以便平移过渡到需要焊接温 度最高达到 260℃的配套工艺。 该协会重视无铅焊标准制(修)定工作。为保证 无铅焊接的质量,修改制定合适于无铅焊接的设备, 由 JEDEC(电子设备工程联合委员会)制(修)定设 备的各类标准。 同时由 EIA (美国电子工业协会) ; IPC (美国电子互连与封装协会) ;ANSIC(美国国家标 准协会)共同制定了 IPC/EIA J-STD-006 电子设备用 电子级锡焊合金,带焊剂及不带焊剂焊料技术要求; IPC-WP-006 无铅焊料合金, 金-银-铜的试验和分析要 求等标准,包括了能应用推荐的 20 多种无铅焊料, 其中由以下几项无铅焊料为主: Sn95.5Ag3.8 Cu0.7 固/液相温度 217℃;Sn95.8Ag3.5 Cu0.7 固/液相温度 218℃; Sn96.4Ag3.2Cu0.4 固/液相温度 218℃; Sn99.3 Cu0.7 固/液相温度 202/207℃。 从 IPC 标准中可知,SnAgCu 合金组成,是国际 应用最普遍的无铅焊料。只是合金配比有点差异,配 比范围:Sn(3~4)wt%Ag(0.5~0.7)wt%Cu。熔 点温度控制在 216℃~220℃氛围。 如美国电子制造倡 导协会 (USNEMI) 推荐:Sn3.9Ag0.6Cu ;欧盟进出口 管理协会(EURAM)推荐:Sn3.8 Ag0.7Cu;日本电子 工业振兴协会推荐:Sn3Ag0.5Cu,价格是 Sn63/Pb37 的 2.5 倍左右,熔点温度高出 34℃;SnAg 合金币 SnAgCu 的熔点更高(221℃) ,用于手工焊已有多年 历史。此外,SnCu 合金成本低,大多用于波峰焊接; SnAgnBi 合金一般用于军品;Sn/3.4Bi 无铅焊料,熔 点 200℃~216℃,润湿性好,表面光亮,抗热疲劳及 耐蠕变性与 Sn-Ag-Cu 焊料相当,强度优于 Sn/Pb,但 该合金对铅亲和力强,如组装时,有铅和无铅镀层混 用,只要有少量的铅,使其置换成 Sn/Pb/Bi 合金,熔 点降至 96℃,环境温度 100℃焊点就会脱落。美国专 利 5,520,752 提出,93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi /0.5Cu 配比 各项性能接近于 63Sn/37Pb, 机械强度高于铅锡合金。 可作为军用电子产品无铅焊料的优选材料之一。 美国军用电子产品至少要保持 20 年的可靠,对 取消铅来说,最大问题就在于目前替代物,缺少长期 应用的可靠性数据,所以无铅焊料的推广,要滞后其 他领域 3~5 年。美国国家航空航天局(NASA) ,对 图1
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(+/-0.2%) ,Sn96.5/Ag3.5 作为表面安装组件的替代 焊料合金,共性能比较见表 2 。所有技术性能与 Sn63/Pb37 接近,液态温度高 30℃~40℃。
Sn63/Pb37 与 Sn-3.8Ag-0.7Cu 性能比较
导电率 (%IACS)* 11.5 15.6 电阻率 20℃ 10 (Ωmm /m) 14.99 11
液相线 合金 固相线 Sn-57Bi 139℃ 共晶 210℃ 205℃ 221℃ 共晶 家用产品 移动电话 家用产品,移动电话,航空,航天,汽车电子产品 移动电话,航空,航天,汽车电子产品 使用范围
6+
2007 年 10 月第 5 期 铅合金的开发以及可靠性试验,对 80 多种无铅合金 进行了筛选。 选择原则就是和 Sn63/Pb37 共晶焊料进 行性能对比,内容包括润湿性、熔点、毒性、资源性、 经济性、焊接的机械强度、抗各种环境的可靠性等多 项指标。 3.1 美国的开发情况 国家制造中心(NCMS)是美国最大的跨行业协 会,该协会由 15 个会员公司支持,每年的研发项目 投资超过 8 千万美元, 进行无铅焊接研究。 1992~1996 年,投资 110 万美元/年,选择 3 种不同使用环境的无 铅焊料进行研究。 a. 家用电器产品 0 ~ 100℃ ; b. 防卫类军备产品 -55℃~125℃;c.航天汽车类产品-55℃~180℃。 1997 年选取三种合金作为可能替代品, 但没有建 议行业实施日期。见表 1 所示。
NCMS 推荐 SMT 用无铅焊接
注意事项 有较低的共晶焊接温度,表贴时比 Sn-Pb 有更好的热疲劳特性, 对通孔组装适应好,使用于不耐高温的元器件 用于波焊接,易产生锡珠 如加 Cu、Sb 四元素合金 Sn-2.6Ag-0.8Cu-0.5 Sb 液相线温下降 10℃源自Sn-3.5Ag-4.8Bi
Sn-3.5Ag
日本焊接协会 JWES 日本产业环境管理协会
航天制造技术 无铅焊接进行大量的分析及可靠性进行研究,为缩短 过渡时期, 要求供应商提供可靠性高的焊料、 元器件、 印制板镀层,目前以有铅焊工艺为主,为无铅化作准 备。 波音飞机公司在 1999 年, 印制板采用浸银 (ImAg) 及化学镀镍/浸金(ENIG)工艺。在 2000 年通过各项 测验,现已推广使用。 3.2 日本的开发情况 日本无铅焊料研究从 1994 年开始,由十家著名 公司,二所大学参与了研发。如日立公司投资 12 亿 日元(1120 万美元)用于扩大无铅焊料的生产,1999 年用铅量已降到 1997 年的一半。松下公司,2001 年 所有消费电子产品不含铅, 2002 年销售到美国的电子 产品均无铅。索尼公司 2001 年只能提供无铅材料和 元器件;东芝公司在 2002 年所有电话通讯设备均无 铅;电气公司(NEC)生产电脑主板用 SnZn 焊料; 富士通公司在 2002 年 12 月,彻底取消铅在富士通所 有产品中的使用,目的是抢占国际市场。 日本在 1998 年由 NEDO(新能源 产业技术综合 开发机构)组织,用 3 亿 5 千万日元,进行无铅焊料 的研发,制定标准化组织(见图 1) ,在产业环境管理 协会参与下分为 JEIDA、JWES 二个研究组,分别承 担无铅焊料组装可靠性及其应用数据,各种无铅焊料 特性评价及材料数据库等项工作,通过二次讨论评 价,推荐的焊料见表 3。
收稿日期:2007-06-05 作者简介:滕云(1969-) ,工艺师,计算机及应用专业;研究方向:电子装联工艺。
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综述 上市的新电子电气机器中, 不含有铅 (Pb) , 汞 (Hg) , 镉(Cd) ,六价铬(Cr ) ,聚合溴化联苯(PBB) ,聚 合溴化联苯乙醚 (PBDE) 。 中国由信息产业部在 2006 年 2 月 28 日出台了《电子信息产品污染控制办法》 (RoHS 规章) ,2007 年 3 月 1 日开始施行。我国加 入 WTO 后,与国际接轨,目前出口的电子产品已全 部采用无铅焊,总之,电子产品无铅化是大势所趋。 3 国外无铅焊料开发状况 从 1990 年美国提出了对含铅焊料的使用规定起, 美国的国家制造科学中心(NCMS) ;欧盟(EU)的 IDEALS(计划用无铅焊接改善和电子组装的设计使 用寿命和环境生产研究机构) ;日本的新能源,产业 技术综合开发机构(NEDO)相继投入了无铅焊料的 研发,随之世界的各大家电生产厂商纷纷投资进行无 表1
的废弃的电子产品,不注意回收处理,埋入地下遇到 水或酸雨生成溶于水的铅盐,易溶于地下水,其化学 反应分子式如下: 2Pb+1/2H2O=2PbO PbO+2HCl= PbC12+ H2O PbO+2HNO3=Pb(N O3)2+H2 O 酸雨中的硝酸和盐酸易促使铅溶解,生成 Pb(N O3)2 和 PbCl2 两种盐, 在温水中溶解度可达 127 和 315 (g/l)而水中铅含量的允许极限仅为 15PPM 以下。 铅进入人体后,会造成极大的危害,尤其对儿童 的危害更为严重。2003 年,美国环保局(EPA)向议 会报告,国内已有 400 万儿童含铅过高而智力指数低 下;我国上海、江苏、浙江等地区平均有 25%左右的 儿童,体内含铅过量,影响生长发育,患病率增高。 由于环境意识、历史教训,欧盟在全球率先推进 了电子产品制造无铅化,WEEE 和 RoHS 两项指令, 在 2003 年 2 月 13 日生效。指令内容如下: WEEE ( Waste Electrical and Electronic Equipment )废弃电子电气机器指令,规定从 2004 年 8 月 13 日起,凡废弃的电子电气设备都要按规定 回收处理,费用由产品制造厂负责。并要完成再生回 收率目标。 RoHS ( Restriction of use of certain Hazardous substances in electrical and electronic equipment ) 有关 含在电气电子机器里的特定有害物质的使用限制指 令,要求世界各加盟国保证在 2006 年 7 月 1 日以后
新能源产业技术综合开发机构(NEDO)
技 术 评 价 委 员 会
日本电子工业振兴 协会 JEIDA
日本电子机械工业协会
日本 NEDO 研发无铅焊接及标准化组织图
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