无铅焊料的新发展

无铅焊料的新发展

.、八、一

前言

锡铅焊料是电子组装焊接中的主要焊接材料，以其优质的性能和低廉的成本，一直被人们所重视。但众所周知铅及它的化合物是有毒物质，人类如长期接触会给生活环境和安全带来较大的危害。其中铅对儿童的危害更大，会影响其智商和正常发育。人类为避免这方面的问题，限制使用甚至禁止使用有铅焊料的呼声越来越高。最终拥有悠久历史的传统型锡铅焊料，将会逐渐被新的绿色环保型焊料所替代。如无铅汽油的广泛使用就是一个很好的范例。世界各国都纷纷开展无铅焊料的研究工作。特别是欧美、日本等一些发达国家在无铅化的研究和应用上非常重视，已经走在世界前列。二十世纪末日本已有多家知名公司相继使用无铅焊料进行批量生产。Panasonic 1998年9 月就开始在批量生产盒式收录机中使用Sn-Ag-Bi(In) ，还有NEC、SONY、TOSHIBA 、HITACHI 等公司先后用无铅焊料进行批量生产，同时都制定了全面推行无铅化的期限。

2 无铅焊料的介绍

传统锡铅焊料，它是利用Sn63Pb37 为锡铅低共熔点，其共晶温

度是183C,与目前PCB的耐热性能接近，并且具有良好的可焊

性、导电性以及较低的价格等优点而得到广泛使用。无铅焊料是利用锡与其它金属如铜、铋、银等金属的合金在共晶点或非共晶点出现

的共熔现象制成的焊料。作为锡铅共晶焊料合金的替代材料，无铅焊料应该在融点、机械特性和物理特性等方面同锡铅共晶焊料合金接近，且供应材料充足，毒性弱并能在现有的设备中运用现有的工艺条件进行使用。

2.1 无铅焊料的具体要求

无铅焊料应该具备与锡铅体系焊料大体相同的特征，具体目标如下：

(1) 替代合金应是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉和碲，是毒性的；其它金属，如锑、铟，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。

⑵熔点应同锡铅体系焊料的熔点(183 C)接近，不应超过200 Co

(3) 供应材料必须在世界范围内容易得到，数量上满足全球的需

求。某些金属--如铟(Indium)和铋(Bismuth)--数量比较稀少，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。

(4) 替代合金还应该是可循环再生的，如将三四种金属加入到无铅

替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并且增加其成本。

(5) 机械强度和耐热疲劳性要与锡铅体系焊料大体相同

(6) 焊料的保存稳定性要好。

(7) 替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与

修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型(preform) 。不是所有建议的合金都可制成所有的形式，例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。

(8) 合金相图应具有较窄的同液两相区。能确保有良好的润湿性和

安装后的机械可靠性。

(9) 焊接后对各种焊接点检修容易。

(10) 电性好，导热性好。

2.2 无铅焊锡的发展现状通过长时间的研究，锡被认定为是最好的基础金属，因为锡的货源储备充足，无毒害，检修容易，有良好的物理特性，熔点是

232 C，与其他金属进行合金化后融点不会很高。配比合金在得到接受前都必须考虑以下几种要求：

(1)使用产品时的材料消耗情况。

(2) 产品制造过程中使用的能量情况。

(3) 产品处理后的重复使用性。

⑷材料从制造到再生利用这期间的辐射情况。

经过大量的比较后筛选出几种好的锡合金，它们为铜(Cu)、银(Ag)、钢(In)、锌(Zn)、铋(Bi)、锑(Sb)。选择这些金属材料可在

和锡组成合金时降低焊料的熔点，使其得到理想的物理特性。

目前电子业开发较为成功的几种合金体系如表1所示

袤I几种爆料合金体手

械込川介金件處

Si**l -Zn9

Sn M*5 ii I 5

Srt993-CtfO7

2321 2401

Sn95-Sb5

表1中得出的这几种与传统锡铅焊料物理特性相近的合金体系

详细介绍如下：

锡锌系(Sn91 -Zn9)在日本无铅化使用面很广，锡锌系焊料是无铅焊料中唯一与锡铅系焊料的共晶熔点相接近的，可以用在耐热性

不好的元器件焊接上，并且成本较低。但是在大气中使用表面会形成很厚的锌氧化膜，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。而且润湿性差也不能忽视。用于波峰焊

生产时会出现大量的浮渣。制成锡膏时由于锌的反应活性较强，为保证锡膏的存放稳定性和增加它的润湿性，会增添不少的麻烦。可以说此种焊料短期内不会得到推广。

锡铜系(Sn99.3-Cu0.7)焊料在焊点亮度、焊点成型和焊盘浸润等方面和传统锡铅焊料焊接后的外观没有什么区别。而且由于锡铜系焊料构成简单，供给性好且成本低，因此大量用于基板的波峰焊、浸渍焊，适合作松脂心软焊料。有比锡铅焊料好的强度和耐疲劳性，还有优于锡铅系焊料之处，那就是在细间距QFP的IC 流动焊中无桥连现象，同时也没有无铅焊料专有的针状晶体和气孔，可得到有光泽的焊角。在260C和245C的温度下焊接实验

都很成功。

锡银系(Sn96.5-Ag3.5)焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。它能在长时间内提供良好的粘力。在过回流焊时无需氮气保护浸润性和扩散性与锡铅系焊料相近，并且锡银系的助焊剂残留外观比锡铅系的残留还要好，基本无色透明。而且还在合金的电导率、热导率和表面张力等方面与锡铅合金不相上下。锡银铜系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)焊料可能将是锡铅焊料的最佳替代品，它有着良好的物理特性。锡与次要元素银和铜之间的冶金反应是决定应用温度、同化机制及机械性能的主要因素。在这三元素之间有三种可能的二元共晶反应。在温度动力学上锡更适合与银或铜反应，来形成Ag3Sn或Cu6Sn5金属间的化合物。较硬的Ag3Sn