[推荐]无铅焊接精粹篇

无铅焊料的开发应用动向
一、无铅焊料的开发应用动向
1.1 对铅的使用限制规定和欧美的研究开发动向
二十世纪九十年代初，由美国国会提出了关于铅的使用限制法案（HR2479—Lead Based Paint Hazard Abatement Trust Fund Act，S-1347-LLead Abatement Trust Fund Act，S-729-Lead Exposure Reduction Act）并由NCMS(National Center for Manufacturing Sciences ) 提出Lead Free Solder Project等进行无铅焊料的研究开发活动。
表1.1 是以欧美为代表的进行无铅焊料开发的设计方案，对无铅焊料的研制，在当时的情况下，发挥了相应的先导作用。1997 年8月NMCS提出了最后的报告书“Lead Free solder Project Final Report，NCMS Report0401 RE96 , August 1997 , National Center for Manufacturing Sciences, 3025 Boardwalk , Ann Arbor , M148l08-3266”这个设计方案推荐的候补替代合金由表1.2 表示，根据不同的用途分为Sn-58Bi , Sn-3.5 , Ag-4.SBi , Si-3.SAg 三种类型（单位：mass% ）。但是，NCMS 提出的结论，就无铅焊料的发展趋势而言，不可能成为现行Sn-Pb 焊料完全的替代品，在世界范围内将会有多种新型的无铅焊料推向市场。

前面所述的限制法案对美国的电子产业产生的效能并不大，只是让世界各国了解了NCMS的设计方案，对于对居住环境意识较强的欧洲，自1996年起，由EU提出了汽车环保法案（End of Life Vehicles ) ，这个法案提出，2002年1月以后向市场提供的汽车不得使用铅、福、水银、六价铬、PVC等材料。1997 年EU又提出了家电环保法案（End of Life Electrical and Electronic Equipments ）经1998年7月的法案修正，已明确至2004年1月起任何制品中不可使用铅、福、水银、六价铬等有害物质。
在美国由NCMS 推荐了含有Bi 的合金作为无铅焊料用候补合金，而在欧洲却将Bi 看作为是铅的副产品，不太受欢迎，一般看好单纯的二元系合金无铅焊料，如融点高的Sn-3.5Ag 和Sn-0.7Cu，从可靠性观点看，Sn-3.5Ag 系比较有利，而从经济性观点来看，期待着将Sn-0.7Cu 系无铅焊料用于波峰焊工艺。目前Northern Telecom 公司生产的电话机已使用了Sn-0.7Cu 焊料。三元系合金无铅焊料的开发应用，除了欧洲外，日本也同样将三元系合金作为应用开发中心。NOKIA公司和Multicore 公司正共同研究，将Sn-3.Sag-0.7Cu 合金用于移动通信产品上，有PHILIPS 、Siemens 、Muhicore 等公司参加的IDEALSa 工组（Improved Design Life and Environmentally Aware Manufacturer of Electronic Assemblies by Lead-Free solder ）也将Sn-3.Sag-0.7cu-（Sb）合金作为优先推荐的候补替代合金。无铅焊料在进入实用化阶段将会面临许多课题，譬如用于再流焊接，Sn-3.5Ag合金的熔点为243℃，Sn-0.7Cu 为245 ℃ , Sn-3.8A g-0.7Cu 为232 ℃，属于高熔点的合金，如何克服无铅焊料在应用中的不良因素，当前世界各国正在进一步给予研究开发。可以作为无铅焊料候补合金的熔点及成本的比较列于表1.3 。
表1.3 无铅焊料候补合金的融点和成本比较

1.2 无铅焊料的实用化特征
根据世界各国的开发状况，要在短时间内研制出使用性能超过Sn-Pb 共晶焊料的无铅焊料是一件困难的事情。1998 年2 月日本电子工业振兴协会和电路实装学会公布了无铅焊料的实用化进程说明书。指出，在无铅焊料还没有完全成熟应用的情况下，制造业适用的产品可以使用Sn-Ag 系焊料，并可以此类焊料作为主要的替代晶向执行部门提供实用化的实绩报告，以进一步设定无铅焊料的型号、名称。这是日本开展无铅焊料实用化的基本设想。表1.4 是典型的无铅焊料特征．

在熔点靠近183℃ 前后的无铅焊料，与现行的焊料相比，带来的问题是焊接组装后的机械特征和可靠性，以Sn-Ag 共晶系形成的高温系无铅焊料，其熔点高是一个应用难题，今后也可能采用成本低的Sn-Cu系焊料，Sn-Cu系焊料的熔点，作业温度比Sn-Ag 高，应该在N2氛围中使用。而对长期可靠性延伸性好的，耐疲劳特征优良的Sn-Ag系焊料的有利性，也必须加以确认。高温系无铅焊料的适用性问题有以下几点：
（l）电子部晶的内部连接：其内部连接使用高温焊料的场合，与外部接合时的高温焊料是否适应。
（2）电子部品电极部的电镀层：经与Bi 等无铅焊料的接触反应，在接合界面易产生脆性金属化合物层，会降低可靠性。镀锡电极生存的晶须问题也必需加以技术鉴定。
（3）部晶的耐热性；对于LSI 的封装，其短引线电镀的耐热性是个问题，原有部分厂商采取电镀钯（Pd )，但实施效率较低，如引线材料是铁系42合金时，钯的电镀会发生困难，有必要研究新的电镀用材料。对塑封LSI 来说，为防止焊接中发生的破损，使用高温型无铅焊料焊接，组装前必须采取预热工艺。
无铅焊料的实用化进程是否顺利，与焊机制造商、焊料厂商、元器件厂商这三者间的协调作用有很大的关系，其中只要有一方配合不周，即会对推广应用产生障碍，日本新能源，产业技术综合开发机构（NEDO）于1999 年发表了为无铅焊料量产化、标准化的研究报告，定于2000 年开始进入实施阶段。在无铅焊料的应用过程中，还有以下数点必须加以研究、解析。
• 无铅焊料的材料特性解析标准化问题及评价方法。
• 无铅焊料接合时，对初始特性的评价方法和标准化评价事宜。
• 接合工艺条件对无铅焊料适应性的工艺研究。
• 在组装阶段对可靠性评价方法的设定和实施方式。
• 无铅焊料材料的特性评价标准和电子部晶的无铅化研究。
日本NEDO 公布的第一期无铅焊料组装工艺评价对象（合金系）由表1.5 表示。