无铅制造01(无铅焊料)

手工焊
回流焊选用合金的调查结果（2003欧洲）
数据来源：Soldertec－Leadfree Roadmap（2003）
波峰焊选用合金的调查结果（2003欧洲）
数据来源：Soldertec－Leadfree Roadmap（2003）
手工焊选用合金的调查结果（2003欧洲）
数据来源：Soldertec－Leadfree Roadmap（2003）
欧洲机构推荐的无铅焊料 The European Consortium - BRITE-EURAM (IDEALS) 95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu - an all purpose alloy用于所有用途. Other alloys with potential are 99.3Sn-0.7Cu, 96.5Sn-3.5Ag and SnAgBi 其它可用的合金 UK －DTI 英国贸工部建议
焊点强度对比 – 片式电阻贴装焊点剪切强度
贴装焊点剪切强度 (Newtons)
140 120 100 80 60 40 20 0 Sn-3.0Ag-0.5Cu M0507 Sn-Cu-Ni
无铅焊料对比－－焊点强度
焊点强度对比 – QFP封装外引线焊点拉脱强度
25 QFP引线焊点拉脱强度 (Newtons) 20 15 10 5 0
Sn-3.5Ag (共晶) Sn-3.8Ag-1Cu(共晶) Sn-3.0Ag-0.5Cu Sn-3.5Ag-3Bi-1Cu Sn-3.5Ag-3In-0.5Bi Sn-9Zn
221E 217E 208~219 208~213 214(三井) 199E
波峰焊
Sn-0.7Cu+Ni 227E Sn-3.8Ag-1Cu(共晶) 217E Sn-3.0Ag-0.5Cu 218～219 Sn-3.0Ag-0.5Cu
Cu丝浸锡前后直径变化
2.2.5 无铅焊料对比 – 焊点强度
无铅焊料对比 – 焊点强度
无铅焊料对比 – 焊点强度
焊点强度对比 – 通孔插装元件焊点拉脱强度
80 通孔焊点强度 (Newtons) 76 72 68 64 60
Sn-3.0Ag-0.5Cu
M0507
Sn63-Pb37
无铅焊料对比－－焊点强度
2.1.1 目前可用的无铅焊料举例(2)
5) 锡银铋＋其他/ SnAgBiX • 在锡银系统中加入少于5％的Bi，可以降低熔点，提高润湿性。 Sn/Ag3/Bi3,5,6,10..(松下公司)，Sn/Ag2.0/Bi7.5/0.5(Alloy H和 Alpha金属公司使用，由ITRI公司开发)。。。。 6）锡锑/SnSb(232～240 ℃） 润湿性较差，较Sn96.5/Ag3.5略好些，但液相线太高。 7）锡锌＋其他/SnZnX（199 ℃ ） 共熔点与SnPb接近，但由于Zn的存在，容易氧化和腐蚀。 Sn90/Zn9/In1(AT&T公司）； Sn89/Zn8/Bi3(191～195 ℃ ，松下公司， Senju公司）；SnZnBiX（日立Harima公司，Tamura公司） 8）锡铋 Sn58/Bi42 （138 ℃） 由NCMS推荐使用。由Hewlett－Packard公司报道，宣称这种材料的特性 要等于甚至好于共熔SnPb，可以在低温情况下和消费类产品中得到应用。 但共熔的Bi52/Sn48具有粗糙化倾向。
1.2 环保法律法规(Legislation)－01 控制铅的使用－日本
目前正在经济产业省的主导下加紧讨论的日本环保法规将包 括“信息明示”的条款。具体说来，要求在产品上加贴此产品含 有哪些有害物质的标签的方案得到了广泛支持。这种方案就是指， 由于日本已经建立了完善的物质回收制度，因此只要知道废弃物 中含有哪些物质，就能分门别类地安全回收。假如是在“确实知 道这是什么材料”，也就是说一个能够对物质进行准确控制的环 境中使用，那么这些物质就不会造成危害。
95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu for reflow soldering (217oC) Sn3.9Ag0.6Cu用于回流焊工艺 99.3Sn-0.7Cu for wave soldering (227oC) Sn0.7Cu用于波峰焊工艺 但注意不要在一块板上同时使用两种以上的焊料
2.3 著名机构推荐使用的无铅焊料02
2.1.1 目前可用的无铅焊料举例(3)
焊接工艺 再流焊 型号 合金组成 熔点 备注 *1:JP3152945/US6180055 *2:US6231691B1 *3:JP3027441/US5527628 *4:US5527628
SN96 SNCI*2 SN97C*3 LF-C*4 LFSA LF-A SN100C*1 SN96CI*2 SN97C*3 SN97C*3
控制铅的使用-北美
无铅电子的原始推动力来自于美国。80年代初，美国立法禁止 在汽油与管道焊接中使用铅。1992年的Raid法案(S729,一个多方面 的环境保护法案)中即包含了电子组装中禁用铅，但没有通过。。 美 国 NEMI(National Electronics Manufacturing Initiative)于1999年成立专门工作组，目标是帮助北美公司在2001 年启动无铅电子组装，到2004年全面实现电子产品无铅。
无铅焊料技术
Lead-free Solder Technology
中国赛宝实验室 贺光辉
www.rac.ceprei.com,shirleyhe@ceprei.com,0086-2087236986
主要内容
1 为什么要无铅？ 2 无铅焊料的选择 3 无铅焊料的认证
1
为什么要无铅？
1.1 铅元素毒性对人类健康的影响
2 无铅焊料的选择
业界的使用情况调查 无铅焊料的性能比较 著名机构推荐选用的材料 选择的建议与结论
2.1 业界的使用情况调查
业界曾经使用的无铅焊料情况
2.1.1 目前可用的无铅焊料举例(1)
1）锡96.5/银3.5（221 ℃ ） 是最具有潜力的合金材料，已在国家制造科学中心（NCMS）、福特、摩 托罗拉和日本的TI等使用。但Indium公司报告说，这种合金在Sn含量高 的合金所制的回流焊料中润湿性最低。 2）锡99.3/铜0.7（227 ℃ ） 是由Nortel公司首先报道的，在电话机的制造中，其质量与共熔的SnPb 一致。在空气回流中，吸湿性降低，薄片呈现出一定粗糙度。在所有无 铅焊料中，这种合金可能是力学性能最差的一种，由于材料价格低廉、 对波反应迟钝，适合于波峰焊中使用。 3)锡银（3～5）铜（0.5～3）/ SnAgCu （ 217～219 ℃ ） 三元系合金，铜加到SnAg中，是为了降低铜的分解，降低熔点，提高润 湿性、机械延展性和热疲劳特性。诺基亚公司和Multicore公司使用这 种材料。 4）锡银铜＋其他/ SnAgCuX Sn96.2/Ag2.5/Cu0.8/Sb0.5（ 213～218 ℃,AIM公司 ），目前由国际 锡研究所（ITRI）、朗讯、福特和圣地亚实验室使用，其抗疲劳特性优 于SnPb合金
Sn-0.7Cu
Sn-Cu-Ni
M0507
OSP 浸Ag
Sn-3.0Ag-0.5Cu 0 20 40 60 缺陷数/PCB 80 100 120
2.2.4 无铅焊料对比 – Cu溶解
Cu溶解对比（考察浸蚀Cu－Pad的能力）
70 Cu丝直径减少量 (µm) 60 50 40 30 20 10 0 M0507 SAC305 Sn-Cu-Ni Sn-0.7Cu 3s 30s
润湿性对比 ---- 最大润湿力
8 7
最大润湿力，mN
WB 200 GOLF 318
6 5 4 3 2 1 0 Sn-3.0Ag0.5Cu M0507 Sn-Cu-Ni Sn-0.7Cu
注：GOLF 318为溶剂型助焊剂，WB 200为水基型助焊剂
2.2.3 无铅焊料对比 –组装缺陷率
工艺条件一致时，缺陷率对比
USA Decentralized activity on guidance and implementation. Some recycling initiative, such as CA SB20 (Jan 1, 2007). Marine LD743. No Federal implementation date set.
2.2 无铅焊料的性能比较
对比四种无铅焊料： SAC305,M0507(SAC),Sn-Cu-Ni,Sn-0.7Cu （1）熔点或液相线 （2）润湿性能 （3）缺陷率 （4）Cu溶解 （5）焊点强度 （6）成本
2.2.1 无铅焊料的熔点（液相线）比较
合金成分 （wt.%） Sn-80Au Sn-5Sb Sn-0.7Cu Sn-3.5Ag Sn-9Zn Sn-37Pb Sn-58Bi Sn-49In Sn-Ag-Cu 熔点 （oC） 280(e) 241-244 227(e) 221(e) 198(e) 183(e) 138（e） 117 217-221
• • • 铅污染的机理 Pb＋1/2O2 PbO PbO＋H＋ Pb2＋+H2O
铅元素毒性对人类健康的影响。
大量含铅废物处理问题(Disposal)不当导致铅的浸出以及循环（Lenching and Recycling），然后进入生态系统！铅是重金属元素，在人体内易于积累，特 别是铅离子Pb2＋与人体内蛋白质的结合会抑制蛋白质的正常化合，此外Pb2＋还 易于侵害神经系统，造成精神错乱，铅对婴幼儿的危害更大，会影响智商和正常 发育 。
Sn-3.0Ag-0.5Cu
M0507
Sn-Cu-Ni
2.2.6 无铅焊料对比－成本
采购成本对比
1 0.8
相对成本
0.6 0.4 0.2 0 Sn-3.0Ag0.5Cu M0507 Sn-Cu-Ni Sn-0.7Cu
2.3 著名机构推荐使用的无铅焊料01
美国NEMI (美国国家制造促进会) /NCMS （国家制造科学 中心）
1.3 市场竞争分析
许多人预测，是否立法无关轻重，市场需求就足以推动无铅电子组装。 Motorola先进技术中心主任I.Turlik博士所作的分析表明： 20%的消费者在购买产品时会积极考虑其对环境的影响； 45%的消费者会由于其环境安全性而购买某种产品； 50%的消费者在发现某产品危害环境时会转向其它品牌； 价格和质量相近时，76%的消费者会选择具有环境安全性的产品。 例：Panasonic于1998年10月向市场投放lead-free迷你唱片 播放机，采用绿色树叶作为环保标志，使其市场份额由4.7% 增加到15%。 Ford 认为“绿色概念”在未来具有最大市场竞争力。提出 2002年实现电子组件无铅，2004年实现整车(电池除外)无铅。
无铅焊料对比 – 润湿性能
润湿性对比 ---- 润湿时间
1.2 1
GOLF 318
WB 200
润湿时间，s
0.8 0.6 0.4 0.2 0
Sn-0.7Cu
Sn-Cu-Ni
Sn-0.5Ag-0.7Cu Sn-3.0Ag-0.5Cu
注：GOLF 318为溶剂型助焊剂，WB 200为水基型助焊剂
无铅焊料对比 – 润湿性能
测试方法：DSC (Differential Scanning Calorimetry) for melting point
源自文库
2.2.2无铅焊料的润湿性能评价与比较
245～260℃
Solder Checker
测试方法描述/润湿性能的表征：最大润湿力与零交时间
润湿平衡法原理图
t0--润湿平衡法中润湿曲线的零交时间（Zero Cross Time）， 表征润湿的真正开始；t2/3-润湿曲线达到2/3最大润湿力所 用的时间，表征焊料合金完成必需的铺展所需要的时间； Fmax－通过润湿曲线得到的最大润湿力 测试标准：ANSI/J-STD-002B, IEC 60068-2-58, MIL-STD-202G ， IPC-TM-650, 2.4.14.2
1.2 环保法律法规(Legislation)－02
控制铅的使用－欧洲 欧洲议会于2002年12月通过决议草案 WEEE(Directive2002/96/EC Waste from Electrical and Electronic Equipment) 以及RoHS （Directive2002/95/EC， Restriction of Hazardous Substance）， 在2006年7月1日起开始全面禁止使用含铅电子焊料。