（無鉛焊料-無鉛焊料發展-無鉛焊料作用-臺錫錫業廠）

1 前言

錫鉛焊料是電子組裝焊接中的主要焊接材料，以其優質的性能和低廉的成本，一直被人們所重視。但眾所周知鉛及它的化合物是有毒物質，人類如長期接觸會給生活環境和安全帶來較大的危害。其中鉛對兒童的危害更大，會影響其智商和正常發育。人類為避免這方面的問題，限制使用甚至禁止使用有鉛焊料的呼聲越來越高。最終擁有悠久歷史的傳統型錫鉛焊料，將會逐漸被新的綠色環保型焊料所替代。如無鉛汽油的廣泛使用就是一個很好的范例。 世界各國都紛紛開展無鉛焊料的研究工作。特別是歐美、日本等一些發達國家在無鉛化的研究和應用上非常重視，已經走在世界前列。二十世紀末日本已有多家知名公司相繼使用無鉛焊料進行批量生產。Panasonic 1998年9月就開始在批量生產盒式收錄機中使用Sn-Ag-Bi(In)，還有NEC、SONY、TOSHIBA、HITACHI等公司先后用無鉛焊料進行批量生產，同時都制定了全面推行無鉛化的期限。

2 無鉛焊料的介紹

傳統錫鉛焊料，它是利用Sn63Pb37為錫鉛低共熔點，其共晶溫度是183℃，與目前PCB的耐熱性能接近，并且具有良好的可焊性、導電性以及較低的價格等優點而得到廣泛使用。無鉛焊料是利用錫與其它金屬如銅、鉍、銀等金屬的合金在共晶點或非

共晶點出現的共熔現象制成的焊料。作為錫鉛共晶焊料合金的替代材料，無鉛焊料應該在融點、機械特性和物理特性等方面同錫鉛共晶焊料合金接近，且供應材料充足，毒性弱并能在現有的設備中運用現有的工藝條件進行使用。

2.1 無鉛焊料的具體要求

無鉛焊料應該具備與錫鉛體系焊料大體相同的特征，具體目標如下：

(1)替代合金應是無毒性的。一些考慮中的替代金屬，如鎘和碲，是毒性的；其它金屬，如銻、銦，由于改變法規的結果可能落入毒性種類。

(2)熔點應同錫鉛體系焊料的熔點(183℃)接近，不應超過200℃。

(3)供應材料必須在世界范圍內容易得到，數量上滿足全球的需求。某些金屬--如銦(Indium)和鉍(Bismuth)--數量比較稀少，只夠用作無鉛焊錫合金的添加成分。

(4)替代合金還應該是可循環再生的，如將三四種金屬加入到無鉛替代焊錫配方中可能使循環再生過程復雜化，并且增加其成本。

(5)機械強度和耐熱疲勞性要與錫鉛體系焊料大體相同。

(6)焊料的保存穩定性要好。

(7)替代合金必須能夠具有電子工業使用的所有形式，包括返工與修理用的錫線、錫膏用的粉末、波峰焊用的錫條、以及預成型(preform)。不是所有建議的合金都可制成所有的形式，例如鉍含量高將使合金太脆而不能拉成錫線。

(8)合金相圖應具有較窄的同液兩相區。能確保有良好的潤濕性和安裝后的機械可靠性。

(9)焊接后對各種焊接點檢修容易。

(10)電性好，導熱性好。

2.2 無鉛焊錫的發展現狀

通過長時間的研究，錫被認定為是最好的基礎金屬，因為錫的貨源儲備充足，無毒害，檢修容易，有良好的物理特性，熔點是232℃，與其他金屬進行合金化后融點不會很高。配比合金在得到接受前都必須考慮以下幾種要求：

(1)使用產品時的材料消耗情況。

(2)產品制造過程中使用的能量情況。

(3)產品處理后的重復使用性。

(4)材料從制造到再生利用這期間的輻射情況。

經過大量的比較后篩選出幾種好的錫合金，它們為銅(Cu)、銀(Ag)、鋼(In)、鋅(Zn)、鉍(Bi)、銻(Sb)。選擇這些金屬材料可在和錫組成合金時降低焊料的熔點，使其得到理想的物理特性。

目前電子業開發較為成功的幾種合金體系如表1所示。

表1中得出的這幾種與傳統錫鉛焊料物理特性相近的合金體系詳細介紹如下：

錫鋅系(Sn91-Zn9)在日本無鉛化使用面很廣，錫鋅系焊料是無鉛焊料中唯一與錫鉛系焊料的共晶熔點相接近的，可以用在耐熱性不好的元器件焊接上，并且成本較低。但是在大氣中使用表面會形成很厚的鋅氧化膜，必須要在氮氣下使用或添加能溶解鋅氧化膜的強活性焊劑，才能確保焊接質量。而且潤濕性差也不能忽視。用于波峰焊生產時會出現大量的浮渣。制成錫膏時由于鋅的反應活性較強，為保證錫膏的存放穩定性和增加它的潤濕性，會增添不少的麻煩。可以說此種焊料短期內不會得到推廣。

錫銅系(Sn99.3-Cu0.7)焊料在焊點亮度、焊點成型和焊盤浸潤等方面和傳統錫鉛焊料焊接后的外觀沒有什么區別。而且由于錫銅系焊料構成簡單，供給性好且成本低，因此大量用于基板的波峰焊、浸漬焊，適合作松脂心軟焊料。有比錫鉛焊料好的強度和耐疲勞性，還有優于錫鉛系焊料之處，那就是在細間距QFP的IC流動焊中無橋連現象，同時也沒有無鉛焊料專有的針狀晶體和氣孔，可得到有光澤的焊角。在260℃和245℃的溫度下焊接實驗都很成功。

錫銀系(Sn96.5-Ag3.5)焊料作為錫鉛替代品已在電子工業使用了多年。它能在長時間內提供良好的粘力。在過回流焊時無需氮氣保護浸潤性和擴散性與錫鉛系焊料相近，并且錫銀系的助焊劑殘留外觀比錫鉛系的殘留還要好，基本無色透明。而且還在合金的電導率、熱導率和表面張力等方面與錫鉛合金不相上下。 錫銀銅系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)焊料可能將是錫鉛焊料的最佳替代品，它有著良好的物理特性。錫與次要元素銀和銅之間的冶金反應是決定應用溫度、同化機制及機械性能的主要因素。在這三元素之間有三種可能的二元共晶反應。在溫度動力學上錫更適合與銀或銅反應，來形成Ag3Sn或Cu6Sn5金屬間的化合物。較硬的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子在錫基質的錫銀銅三重合金中，可通過建立一個長期的內部應力，有效地強化合金。這些硬粒子也可有效地阻擋疲勞裂紋的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔較細小的錫基質顆粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越細小，越可以有效地分隔錫基質顆粒，結果是得到整體更細小的微組織。這有助于顆粒邊界的滑動機制，因此延長了提升溫度下的疲勞壽命。其中Sn95.4-Ag3.1-Cul.5此種配制為最佳，它良好的性能是細小的微組織形成的結果，微組織給予高的疲勞壽命和塑性。對于0.5％～0.7％銅的焊錫合金，任何高于大約3％的含銀量都將增加Ag3Sn的粒子體積分數，從而得到更高的強度，并且不會再增加疲勞性。反之含銅量較高時造成疲勞性降低。在此種三重系統中，1.5％的銅3％～3.1％的銀最有效地產生適當數量的、最細小的微組織尺寸的Cu6Sn5粒子，從而達到最高的強度、可塑性和抗疲勞性。

錫銀銅系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)與傳統錫鉛系(Sn63-Pb37)比較優勢在于，配比為3.0%～4.7％Ag和0.5％～1.7％Cu的合金成分通常具有比Sn63-Pb37更好的抗拉強度。

錫銀銅系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)與錫銀系(Sn96.5-Ag3.5)比較優勢在于，它的熔化溫度為216℃～217℃，比共晶的Sn96.5-Ag3.5低大約4℃。當與Sn96.5-Ag3.5比較基本的機械性能時，研究中的特定合金成分在強度和疲勞壽命上表現更好。

錫銀銅系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)與錫銅系(Sn99.3-Cu0.7)的比較，3.0％～4.7％Ag和0.5％～1.7％Cu的錫銀銅成分合金具有較好的強度和疲勞特性，但是塑性沒有Sn99.3-Cu0.7高。

圖1為錫銀銅系焊料在部分元器件上測得的回流焊溫度曲線。

從圖1注意到，Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5能夠達到的最低熔化溫度為216℃～217℃，這個溫度還是太高，要適用于現階段SMT的電路板生產應低于215℃的實際標準熔化溫度。這個問題以后隨著更深入的研究和實際應用會慢慢得到解決。

2.3 應用過程中面臨的挑戰

無鉛焊料盡管具有非常光明的應用前景，但在實際應用過程中面臨諸多問題，具體如下：

(1)生產成本方面。無鉛焊料一般比較昂貴，其價格一般是有鉛焊料的2倍以上，促使許多以成本為重點的工廠不愿意使用這門技術。除了焊料本身的材料成本外，無鉛焊接技術所帶來的其它材料方面(如元件和基板)因要求的不同(主要在耐高溫方面)也將會提高這些材料的成本，且進一步提高總成本。不過這方面的問題不會像一般想象中的嚴重，因為在許多情況下，材料成本在整個生產成本中還只是一部分，這方面因采用無鉛焊接技術而帶來的成本增加，對整體生產成本的影響可能還是相當小的一個比重。

(2)元件和基板方面的開發問題。目前無鉛焊料發展的成果主要還是在焊料和工藝上，元件和基板方面的開發有必要進行跟進，使得這門技術可以真正推廣開來，比如在無鉛焊接上，推廣的焊料中都需要較高的焊接溫度(在回流溫度中約高出傳統錫鉛焊料40℃左右)，這就需要在許多常用元件上確保其所用材料以承受較高的回流溫度。另外，如一些元件的端點材料，采用的銀-鈀鍍層中的鈀，在和無鉛焊料中的鉍合成后會縮短焊點壽命的問題也必須由元件供應商來配合解決，這些都還有待進一步的發展。

(3)回流爐的性能問題。采用無鉛焊料將提高焊接溫度，也使回流過程中產品上各點的溫度要求高出許多。這意味著爐子的加熱效率將會面臨很大的挑戰，除了以紅外線加熱為主的爐子可能要被淘汰外，對于許多加熱效率設計不甚理想的爐子也會面臨淘汰。這其實也意味著工廠中現有的某些爐子可能會不適合于使用在無鉛焊接上，用戶在推行此技術前應該對此方面的問題給予考慮和評估。

(4)生產線上的品質標準問題：采用無鉛焊料，生產線上的品質標準也可能會有些影響。這是因為無鉛焊料與元件端點及焊盤潤濕時可能形成不了像傳統錫鉛焊料光滑的焊接表面，在焊點亮度、焊點成型和焊盤浸潤等方面和傳統錫鉛焊料焊接后的外觀有些差距，在目視檢查標準中也許有進行更改的需要。

(5)無鉛焊料的開發種類問題：無鉛焊料的開發種類非常多，至少超過70種以上。比較后有約12種至15種被予以重視和推廣的，在無鉛焊料的同意和認同上工業界仍然需要努力。這將可能是用戶等待觀望的原因之一。

(6)無鉛焊料對焊點的可靠性問題：某此焊料對產品焊點的可靠性(壽命)上的影響還缺乏足夠的科學數據，以致用戶未能對此得到足夠的信心。一些小同機構的研究成果也不完全同意。目前一些國際大機構和電子公司的聯合研究項目中，似乎都注重于Sn-Ag-Cu方面的研究驗證，有關數據的出現，可能是將來工業界決定采用哪類焊料的重要因素。

3 結束語

到目前為止，滿意的替代Sn-Pb體系焊料的無鉛焊料還沒有出現，已出現的無鉛焊料都存住有這樣或那樣的問題。無鉛焊料還需繼續研究改進，逐步提高性能，以滿足電子產品可靠性要求。但有一點可以肯定，隨著研究的進一步深入以及對環保的要求，無鉛焊料必將代替Sn-Pb焊料。

編號：臺錫錫業廠 ttin120419   官方網站：www.vdlaj.cn