[導讀]將金屬鉛用作低溫焊料已有多年的歷史,其優(yōu)點在于鉛錫合金可在較低溫度下熔化,而且鉛的儲量豐富、價格便宜。但隨著人們環(huán)保意識日益增強,作為污染土壤和地表水的潛在因素,業(yè)界對鉛的使用限制越來越多。盡管電子行業(yè)所
將金屬鉛用作低溫焊料已有多年的歷史,其優(yōu)點在于鉛錫合金可在較低溫度下熔化,而且鉛的儲量豐富、價格便宜。但隨著人們環(huán)保意識日益增強,作為污染土壤和地表水的潛在因素,業(yè)界對鉛的使用限制越來越多。盡管電子行業(yè)所用的鉛占不到世界鉛耗量的1%,但由于該行業(yè)所廢棄的焊接件占廢棄鉛元素比例迅速增加,因此表面貼裝業(yè)的無鉛化也成為一項迫切的課題。
90年代初,美國率先提出了無鉛工藝率并制定了一個標準來限制產(chǎn)品中的鉛含量,但由于當時無鉛工藝還不成熟,加上這樣做會加大廠商的制造成本,所以標準最終未能執(zhí)行。但無鉛工藝的發(fā)展沒有停滯,制造商正在積極討論在材料、回流焊溫度、PCB、裝配過程和檢測等方面制定統(tǒng)一的標準。據(jù)悉,摩托羅拉今年通訊產(chǎn)品中的無鉛產(chǎn)品將占5%以上,2010年全部實現(xiàn)無鉛化;日本電子信息技術產(chǎn)業(yè)協(xié)會將在2005年全部實現(xiàn)無鉛化;歐洲委員會限制使用含鉛產(chǎn)品的立法也將于2006年1月1日生效。
元器件的無鉛電鍍
元器件的無鉛電鍍是貼裝行業(yè)實現(xiàn)無鉛化的首要條件,也是貼裝企業(yè)對元器件供應商的迫切要求。由于無鉛電鍍和含鉛電鍍的工藝基本是一樣的,故電鍍的無鉛化難度相比貼裝無鉛化要簡單一些,關鍵是要選擇適當?shù)奶娲辖?使鍍層質(zhì)量和使用性能能夠滿足焊接要求。鍍層質(zhì)量是指電鍍不產(chǎn)生晶須、表面光澤好、與鎳層結合牢固。使用性能包括:濕潤性(潤濕角、一定溫度下的潤濕時間)、與焊料接合強度、回流焊后的氣孔、抗老化性能等。目前比較成功的無鉛電鍍合金有兩種:美國開發(fā)的Ni-Sn系統(tǒng)和日本開發(fā)的Cu-Sn 系統(tǒng),基本滿足了上述鍍層質(zhì)量和使用性能要求。大量實驗表明,當采用傳統(tǒng)的鉛錫焊料時,這些新鍍層的使用性能與Pb-Sn鍍層不相上下;但當改用無鉛焊料時,必須把回流焊溫度提高到260OC才能達到Pb-Sn焊料在235OC回流焊時的潤濕及結合程度。
無鉛焊料的選擇
貼裝無鉛化,主要在于無鉛焊料的選擇及焊接工藝的調(diào)整,其中尤以無鉛焊料的選擇最為關鍵。
選擇無鉛焊料的原則是:熔點盡可能低、結合強度高、化學穩(wěn)定性強。人們先后研究過許多錫基合金,概述如下:
Sn-3.5Ag:是眾多無鉛焊料的基礎,溶點221OC(Sn-Pb焊料的熔點為183OC),液態(tài)下表面張力大、潤濕性差、強度高、抗蠕變性強。
Sn-3.8Ag-0.7Cu:熔點217OC,Cu的引入不僅降低了熔點,且顯著改善了潤濕性能。245OC即具有很好的潤濕性,但在表面貼裝時,由于大元件較大的熱容量,回流焊溫度需提高到260OC。對有引線及無引線元件的熱循環(huán)試驗表明,Sn-Ag-Cu不比Sn-Pb焊料差。良好的可靠性和合適的工藝參數(shù)使得該合金成為線路板貼裝時的最佳無鉛焊料,美國國家電子制造聯(lián)合會和諾基亞均推薦該合金為表面貼裝無鉛焊料。日本推薦的則是略經(jīng)改進的Sn-Ag-Cu-Bi合金。
Sn-3.4Ag-4.8Bi:熔點200~216OC,潤濕性最佳,表面最亮,抗熱疲勞及耐蠕變性與Sn-Ag-Cu焊料相當,強度優(yōu)于Sn-Pb。但該合金對鉛極為敏感,極少量的鉛也會使其熔點降至96OC,當線路板暴露在100OC以上溫度下時,焊點就會脫落。
Sn-Cu:溶點227OC,曲服強度低,蠕變速度高,特別適于取代現(xiàn)在的高鉛焊料(熔點大于300OC),用于倒裝芯片焊接。
Sn-Zn系列:包括Sn-9Zn和Sn-Ag-Zn。Sn-Zn的低共熔點199OC,接近于Sn-Pb。Zn在空氣中會迅速氧化,形成大量氧化皮,故該焊料必須在完全無氧的環(huán)境下使用,此時其潤濕性接近Sn-Pb焊料,但Zn在固態(tài)下仍易于腐蝕,從而降低了焊料的耐腐蝕性,因此,該合金的廣泛使用仍存在著無法逾越的障礙。
SMT無鉛化的發(fā)展趨勢
由于各國和地區(qū)的嚴格立法及表面貼裝業(yè)對環(huán)境保護的重視,按歐盟要求的時間表實現(xiàn)大部分元件與焊接過程的無鉛化是完全有可能的。但要徹底實現(xiàn)無鉛化,難度仍然很大,因為無鉛焊接的溫度在260OC以上,這對元器件和面積較小的PCB而言,是可以接受的;而對面積較大的PCB,將有可能引起變形、翹曲等。要從根本上解決這一問題,必須改變PCB材料,但這絕非一朝一夕可以完成的,現(xiàn)在也并無跡象表明PCB制造商準備改變其所用材料。
另一方面,正如本文開始時所提及的,貼裝行業(yè)對環(huán)境的污染主要是由廢棄造成的。因此,著重"綠色產(chǎn)品" 即可回收產(chǎn)品的設計與開發(fā),才能從根本上消除電子行業(yè)對環(huán)境的污染。從這個意義上看,無鉛化只是減少表面貼裝業(yè)對環(huán)境污染的臨時措施。
90年代初,美國率先提出了無鉛工藝率并制定了一個標準來限制產(chǎn)品中的鉛含量,但由于當時無鉛工藝還不成熟,加上這樣做會加大廠商的制造成本,所以標準最終未能執(zhí)行。但無鉛工藝的發(fā)展沒有停滯,制造商正在積極討論在材料、回流焊溫度、PCB、裝配過程和檢測等方面制定統(tǒng)一的標準。據(jù)悉,摩托羅拉今年通訊產(chǎn)品中的無鉛產(chǎn)品將占5%以上,2010年全部實現(xiàn)無鉛化;日本電子信息技術產(chǎn)業(yè)協(xié)會將在2005年全部實現(xiàn)無鉛化;歐洲委員會限制使用含鉛產(chǎn)品的立法也將于2006年1月1日生效。
元器件的無鉛電鍍
元器件的無鉛電鍍是貼裝行業(yè)實現(xiàn)無鉛化的首要條件,也是貼裝企業(yè)對元器件供應商的迫切要求。由于無鉛電鍍和含鉛電鍍的工藝基本是一樣的,故電鍍的無鉛化難度相比貼裝無鉛化要簡單一些,關鍵是要選擇適當?shù)奶娲辖?使鍍層質(zhì)量和使用性能能夠滿足焊接要求。鍍層質(zhì)量是指電鍍不產(chǎn)生晶須、表面光澤好、與鎳層結合牢固。使用性能包括:濕潤性(潤濕角、一定溫度下的潤濕時間)、與焊料接合強度、回流焊后的氣孔、抗老化性能等。目前比較成功的無鉛電鍍合金有兩種:美國開發(fā)的Ni-Sn系統(tǒng)和日本開發(fā)的Cu-Sn 系統(tǒng),基本滿足了上述鍍層質(zhì)量和使用性能要求。大量實驗表明,當采用傳統(tǒng)的鉛錫焊料時,這些新鍍層的使用性能與Pb-Sn鍍層不相上下;但當改用無鉛焊料時,必須把回流焊溫度提高到260OC才能達到Pb-Sn焊料在235OC回流焊時的潤濕及結合程度。
無鉛焊料的選擇
貼裝無鉛化,主要在于無鉛焊料的選擇及焊接工藝的調(diào)整,其中尤以無鉛焊料的選擇最為關鍵。
選擇無鉛焊料的原則是:熔點盡可能低、結合強度高、化學穩(wěn)定性強。人們先后研究過許多錫基合金,概述如下:
Sn-3.5Ag:是眾多無鉛焊料的基礎,溶點221OC(Sn-Pb焊料的熔點為183OC),液態(tài)下表面張力大、潤濕性差、強度高、抗蠕變性強。
Sn-3.8Ag-0.7Cu:熔點217OC,Cu的引入不僅降低了熔點,且顯著改善了潤濕性能。245OC即具有很好的潤濕性,但在表面貼裝時,由于大元件較大的熱容量,回流焊溫度需提高到260OC。對有引線及無引線元件的熱循環(huán)試驗表明,Sn-Ag-Cu不比Sn-Pb焊料差。良好的可靠性和合適的工藝參數(shù)使得該合金成為線路板貼裝時的最佳無鉛焊料,美國國家電子制造聯(lián)合會和諾基亞均推薦該合金為表面貼裝無鉛焊料。日本推薦的則是略經(jīng)改進的Sn-Ag-Cu-Bi合金。
Sn-3.4Ag-4.8Bi:熔點200~216OC,潤濕性最佳,表面最亮,抗熱疲勞及耐蠕變性與Sn-Ag-Cu焊料相當,強度優(yōu)于Sn-Pb。但該合金對鉛極為敏感,極少量的鉛也會使其熔點降至96OC,當線路板暴露在100OC以上溫度下時,焊點就會脫落。
Sn-Cu:溶點227OC,曲服強度低,蠕變速度高,特別適于取代現(xiàn)在的高鉛焊料(熔點大于300OC),用于倒裝芯片焊接。
Sn-Zn系列:包括Sn-9Zn和Sn-Ag-Zn。Sn-Zn的低共熔點199OC,接近于Sn-Pb。Zn在空氣中會迅速氧化,形成大量氧化皮,故該焊料必須在完全無氧的環(huán)境下使用,此時其潤濕性接近Sn-Pb焊料,但Zn在固態(tài)下仍易于腐蝕,從而降低了焊料的耐腐蝕性,因此,該合金的廣泛使用仍存在著無法逾越的障礙。
SMT無鉛化的發(fā)展趨勢
由于各國和地區(qū)的嚴格立法及表面貼裝業(yè)對環(huán)境保護的重視,按歐盟要求的時間表實現(xiàn)大部分元件與焊接過程的無鉛化是完全有可能的。但要徹底實現(xiàn)無鉛化,難度仍然很大,因為無鉛焊接的溫度在260OC以上,這對元器件和面積較小的PCB而言,是可以接受的;而對面積較大的PCB,將有可能引起變形、翹曲等。要從根本上解決這一問題,必須改變PCB材料,但這絕非一朝一夕可以完成的,現(xiàn)在也并無跡象表明PCB制造商準備改變其所用材料。
另一方面,正如本文開始時所提及的,貼裝行業(yè)對環(huán)境的污染主要是由廢棄造成的。因此,著重"綠色產(chǎn)品" 即可回收產(chǎn)品的設計與開發(fā),才能從根本上消除電子行業(yè)對環(huán)境的污染。從這個意義上看,無鉛化只是減少表面貼裝業(yè)對環(huán)境污染的臨時措施。
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