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無(wú)鉛焊料研發(fā)及應(yīng)用

更新時(shí)間:2011-04-13 點(diǎn)擊量:2607

 

焊料從發(fā)明到使用,已有幾千年的歷史。Sn/Pb焊料以其優(yōu)異的性能和低廉的成本,一直得到人們的重用,現(xiàn)已成為電子組裝焊接中的主要焊接材料。但是,鉛及其化合物屬于有毒物質(zhì),長(zhǎng)期使用會(huì)給人類(lèi)生活環(huán)境和安全帶來(lái)較大的危害。從保護(hù)地球村環(huán)境和人類(lèi)的安全出發(fā),限制使用甚至禁止使用有鉛焊料的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈,這種具有悠久應(yīng)用歷史的Sn/Pb焊料,將逐漸被新的綠色焊料所替代,在進(jìn)入二十一世紀(jì)時(shí),這將成為可能?! ?/div>
  人體通過(guò)呼吸,進(jìn)食,皮膚吸收等都有可能吸收鉛或其化合物,鉛被人體器官攝取后,將抑制蛋白質(zhì)的正常合成功能,危害人體中樞神經(jīng),造成精神混亂、呆滯、生殖功能障礙、貧血、高血壓等慢性疾病。鉛對(duì)兒童的危害更大,會(huì)影響智商和正常發(fā)育。  
  電子工業(yè)中大量使用的Sn/Pb合金焊料是造成污染的重要來(lái)源之一,在制造和使用Sn/Pb焊料的過(guò)程中,由于熔化溫度較高,有大量的鉛蒸氣逸出,將直接嚴(yán)重影響操作人員的身體健康。波峰焊設(shè)備在工作中產(chǎn)生的大量的富鉛焊料廢渣,對(duì)人類(lèi)生態(tài)環(huán)境污染極大。近年來(lái)有關(guān)地下水中鉛的污染更引起人們的關(guān)注,除了廢棄的蓄電池大量含鉛外,丟棄的各種電子產(chǎn)品PCB上所含的鉛也不容忽視。以美國(guó)為例,每年隨電子產(chǎn)品丟棄的PCB約一億塊,按每塊含Sn/Pb焊料10克,其中鉛含量為40%計(jì)算,每年隨PCB丟棄的鉛量即為400噸。當(dāng)下雨時(shí)這些鉛變成溶于水的鹽類(lèi),逐漸溶解污染水,特別是在遇酸雨時(shí),雨中所含的硝酸和鹽酸,更促使鉛的溶解。對(duì)于飲用地下水的人們,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),鉛在人體內(nèi)的積累,就會(huì)引起鉛中毒。
  二十世紀(jì)九十年代初,由美國(guó)國(guó)會(huì)提出了關(guān)于鉛的限制法案,并由工作小組著手進(jìn)行無(wú)鉛焊料的研究開(kāi)發(fā)活動(dòng)。目前,美國(guó)已在汽車(chē)、汽油、罐頭、自來(lái)水管等生產(chǎn)和應(yīng)用中禁止使用鉛和含鉛焊料。但該法案對(duì)電子工業(yè)產(chǎn)生的效能并不大,在電子產(chǎn)品中禁止使用含鉛焊料進(jìn)展緩慢。歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)焊料中限制鉛的使用也很關(guān)注。對(duì)于居住環(huán)境意識(shí)較強(qiáng)的歐洲,歐盟于1998年通過(guò)法案,已明確從2004年1月1日起任何制品中不可使用含鉛焊料,但因技術(shù)等方面的原因,在電子產(chǎn)品中*禁止使用鉛有可能推遲至2008年執(zhí)行。在無(wú)鉛焊料研究和應(yīng)用方面,日本走得zui快。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需要,擴(kuò)大*,日本提出了生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的概念。松下電器、日立、NEC、富士通等各大公司紛紛降低了鉛的使用,并制訂了無(wú)鉛化的進(jìn)程計(jì)劃,從2000年開(kāi)始已在部分產(chǎn)品生產(chǎn)中使用無(wú)鉛焊料?! ?/div>
  此外,隨著微細(xì)間距器件的發(fā)展,組裝密度愈來(lái)愈高,焊點(diǎn)愈來(lái)愈小,而其所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)負(fù)荷則愈來(lái)愈重,對(duì)可靠性要求日益提高,但傳統(tǒng)的Sn/Pb合金的抗蠕變性差,不能滿(mǎn)足近代電子工業(yè)對(duì)可靠性的要求。因此,無(wú)鉛焊料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,不僅對(duì)環(huán)境保護(hù)有利,而且還擔(dān)負(fù)著提高電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要任務(wù)。
  近幾年來(lái)有關(guān)無(wú)鉛焊料的研究工作發(fā)展很快,世界上各大公司、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和研究院所都投入了相當(dāng)?shù)牧α块_(kāi)展無(wú)鉛焊料的研究。國(guó)內(nèi)外的已有的研究成果表明,zui有可能替代Sn/Pb焊料的無(wú)毒合金是Sn基合金。無(wú)鉛焊料主要以Sn為主,添加A g 、Zn 、Cu 、Sb、Bi 、In等金屬元素。通過(guò)焊料合金化來(lái)改善合金性能,提高可焊性。由于Sn—In系合金蠕變性差,In極易氧化,且成本太高;Sn—Sb系合金潤(rùn)濕性差,Sb還稍具毒性,這兩種合金體系的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用較少。實(shí)際上二元系合金要做成為能滿(mǎn)足各種特性的基本材料是不完善的,目前zui常見(jiàn)的無(wú)鉛焊料主要是以Sn—A g 、Sn—Zn、Sn—Bi為基體,在其中添加適量的其它金屬元素所組成的三元合金和多元合金。如果單純考慮可焊性,能替代Sn/Pb共晶焊料的無(wú)鉛焊料很多,如下表所示?! ?/div>
  綜觀Sn—A g 、Sn—Zn、Sn—Bi三個(gè)體系無(wú)鉛焊料,與Sn—Pb共晶焊料相比,各有優(yōu)缺點(diǎn)。Sn—A g系焊料,具有優(yōu)良的機(jī)械性能,拉伸強(qiáng)度,蠕變特性及耐熱老化性都比Sn—Pb共晶焊料*,延展性比Sn/Pb共晶焊料稍差,但不存延展性隨時(shí)間加長(zhǎng)而劣化的問(wèn)題。Sn—A g系焊料,熔點(diǎn)偏高,通常比Sn—Pb共晶焊料要高30—40℃,潤(rùn)濕性差,而且成本高。熔點(diǎn)和成本是Sn—A g系焊料存在的主要問(wèn)題。Sn—Zn系焊料,機(jī)械性能好,拉伸強(qiáng)度比Sn—Pb共晶焊料好,與Sn—Pb焊料一樣,可以拉制成線(xiàn)材使用;具有良好的蠕變特性,變形速度慢,至斷裂的時(shí)間長(zhǎng)。該體系z(mì)ui大的缺點(diǎn)是Zn極易氧化,潤(rùn)濕性和穩(wěn)定性差,且具有腐蝕性。Sn—Bi系焊料,實(shí)際上是以Sn—A g(Cu)系合金為基體,添加適量的Bi組成的焊料合金,合金的zui大的優(yōu)點(diǎn)是降低了熔點(diǎn),使其與Sn—Pb共晶焊料相近;蠕變特性好,并增大了合金的拉伸強(qiáng)度,但延展性變壞,變得硬而脆,加工性差,不能加工成線(xiàn)材使用。總之,目前雖然已開(kāi)發(fā)出許多可以替代Sn—Pb合金的焊料,但尚未開(kāi)發(fā)出一種完替代Sn/Pb合金的高性能低成本的無(wú)鉛焊料?! ?/div>
  為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和提高產(chǎn)品質(zhì)量為目的,并考慮電子組裝工藝條件的要求,無(wú)鉛焊料應(yīng)滿(mǎn)足以下條件:熔點(diǎn)低,合金共晶溫度近似于Sn63/Pb37的共晶溫度183℃,大致在180℃~220℃之間;無(wú)毒或毒性很低,所選用的材料現(xiàn)在和將來(lái)都不會(huì)污染環(huán)境;熱傳導(dǎo)率和導(dǎo)電率要與Sn63 /Pb37的共晶焊料相當(dāng);具有良好的潤(rùn)濕性;機(jī)械性能良好,焊點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱老化性能;要與現(xiàn)有的焊接設(shè)備和工藝兼容,可在不更新設(shè)備不改變現(xiàn)行工藝的條件下進(jìn)行焊接;與目前使用的助焊劑兼容;焊接后對(duì)各焊點(diǎn)檢修容易;成本要低,所選用的材料能保證充分供應(yīng)?! ?/div>
  這是研制開(kāi)發(fā)無(wú)鉛焊料的方向,要做到滿(mǎn)足以上要求,有一定的難度,因此,對(duì)性能、成本均理想的綠色焊料的研制已成為研究的熱點(diǎn)?! ?/div>
  電子組裝焊接是一個(gè)系統(tǒng)工程,對(duì)無(wú)鉛焊接技術(shù)的應(yīng)用,其影響因素很多,要使無(wú)鉛焊接技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用,還必從系統(tǒng)工程的角度來(lái)解析和研究以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:  
  元件:目前開(kāi)發(fā)已用于電子組裝用的無(wú)鉛焊料,熔點(diǎn)一般要比Sn63?。疨b37的共晶焊料高,所以要求元件耐高溫,而且要求元件也無(wú)鉛化,即元件內(nèi)部連接和引出端(線(xiàn))也要采用無(wú)鉛焊料和無(wú)鉛鍍層?! ?/div>
  PCB:要求PCB板的基礎(chǔ)材料耐更高溫度,焊接后不變形,表面鍍覆的無(wú)鉛共晶合金材料與組裝焊接用無(wú)鉛焊料兼容,而且要考慮低成本?! ?/div>
  助焊劑:要開(kāi)發(fā)新型的氧化還原能力更強(qiáng)和潤(rùn)濕性更好的助焊劑,以滿(mǎn)足無(wú)鉛焊料焊接的要求。助焊劑要與焊接預(yù)熱溫度和焊接溫度相匹配,而且要滿(mǎn)足環(huán)保的要求。迄今為止,實(shí)際測(cè)試證明免清洗助焊劑用于無(wú)鉛焊料焊接更好?! ?/div>
  焊接設(shè)備:要適應(yīng)新的焊接溫度的要求,預(yù)熱區(qū)的加長(zhǎng)或更換新的加熱元件、波峰焊焊槽,機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)裝置都要適應(yīng)新的要求,錫鍋的結(jié)構(gòu)材料與焊料的一致性(兼容性)要匹配。為了提高焊接質(zhì)量和減少焊料的氧化,采用新的行之有效的抑制焊料氧化技術(shù)和采用隋性氣體(例如N 2)保護(hù)焊技術(shù)是必要的?! ?/div>
  廢料回收:從含A g的Sn基無(wú)鉛無(wú)毒的綠色焊料中分離Bi和Cu將是非常困難的,如何回收Sn—A g合金又是一個(gè)新課題。所以,無(wú)鉛焊料的實(shí)用化進(jìn)程是否順利,與焊接設(shè)備制造商、焊料制造商、助焊劑制造商和元器件制造商四者間的協(xié)調(diào)作用有很大關(guān)系,其中只要有一方配合不好,就會(huì)對(duì)推廣應(yīng)用無(wú)鉛焊料產(chǎn)生障礙。目前,焊接設(shè)備制造商已經(jīng)開(kāi)始行動(dòng),正在推出或即將推出適應(yīng)無(wú)鉛焊料焊接的回流焊爐。  
  此外,采用無(wú)鉛焊料替代Sn/Pb焊料在解決污染的同時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)一系列新的問(wèn)題。例如Sn/Pb系列焊料中,Sn與Pb對(duì)H、Cl等元素的超電勢(shì)都比較高,而無(wú)鉛焊料中A g、Zn、Cu等元素對(duì)H、Cl的超電勢(shì)都很低,由于超電勢(shì)的降低而易引起焊接區(qū)殘留的H 、Cl離子遷移產(chǎn)生的電極反應(yīng),從而會(huì)引起集成電路元件短路。 
   盡管當(dāng)前無(wú)鉛焊料的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用正走向深入研究階段,但根據(jù)世界各國(guó)的開(kāi)發(fā)狀況來(lái)看,要在短時(shí)間內(nèi)研制出使用性能超過(guò)Sn—Pb共晶焊料的高性能的無(wú)鉛焊料是一件困難的事情。全面考慮成本、性能的新型無(wú)鉛焊料標(biāo)準(zhǔn)尚未制訂,其測(cè)試方法和性能綜合評(píng)定方法也有待于在繼續(xù)的研制及應(yīng)用過(guò)程中得以解決,還有許多工作要做。但是焊接材料的無(wú)鉛、無(wú)毒化方向已定,沒(méi)有別的選擇,只有行動(dòng)起來(lái),投身到研究、開(kāi)發(fā)、推廣應(yīng)用無(wú)鉛焊料的行列中去,為推動(dòng)我國(guó)無(wú)鉛焊料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,為地球村的環(huán)境保護(hù)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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