無(wú)鉛焊錫與導(dǎo)電性膠

1、.無(wú)鉛焊錫與導(dǎo)電性膠作者:未知 來(lái)自:未知 時(shí)間:2003-11-15本文介紹，兩種材料都可以有效地取代含鉛焊錫。 世界上，對(duì)無(wú)鉛焊錫替代品的興趣正在戲劇性地增加，主要因?yàn)樵趤喼藓蜌W洲都開(kāi)始迅速地消除含鉛焊錫在電子裝配中的出現(xiàn)。日本的電子制造商已經(jīng)自愿地要求到2001年在國(guó)內(nèi)制造或銷售的產(chǎn)品是無(wú)鉛的。歐洲也在要求無(wú)鉛電子，正如1998報(bào)廢電氣與電子設(shè)備指示(WEEE)所要求的那樣?？墒牵捎跉W洲社會(huì)的反對(duì)，最后期限沒(méi)有確定，現(xiàn)在的截止日期估計(jì)在2004年以后。有許多理由支持把鉛從電子焊錫材料中消除的努力。除了來(lái)自該元素毒性的環(huán)境壓力之外，其它動(dòng)機(jī)包括有害廢物處理的關(guān)注、工作場(chǎng)所安全性考慮、設(shè)備

2、可靠性問(wèn)題、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性、以及環(huán)境共同形象的維護(hù)?，F(xiàn)在北美電子制造商所經(jīng)受的壓力本來(lái)是經(jīng)濟(jì)上的，而不是法令上的。為了消除其產(chǎn)品再不能出口到亞洲和歐洲電子市場(chǎng)的危險(xiǎn)，制造商們正在尋找可行的含鉛焊錫的替代者，包括無(wú)鉛焊錫材料與可導(dǎo)電性膠。 無(wú)鉛焊錫無(wú)鉛焊錫技術(shù)不是新的。多年來(lái)，許多制造商已經(jīng)在一些適當(dāng)位置應(yīng)用中使用了無(wú)鉛合金，提供較高的熔點(diǎn)或滿足特殊的材料要求?？墒?，今天無(wú)鉛焊錫研究的目的是要決定哪些合金應(yīng)該用來(lái)取代現(xiàn)在每年使用的估計(jì)50,000噸的錫-鉛焊錫。取消資源豐富價(jià)格便宜的(大約每磅0.40美元)鉛，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加許多。選擇用來(lái)取代鉛的材料必須滿足各種要求： 1.它

3、們必須在世界范圍內(nèi)可得到，數(shù)量上滿足全球的需求。某些金屬 - 如銦(Indium)和鉍(Bismuth) - 不能得到大的數(shù)量，只夠用作無(wú)鉛焊錫合金的添加成分。 2.也必須考慮到替代合金是無(wú)毒性的。一些考慮中的替代金屬，如鎘(Cadmium)和碲(Tellurium)，是毒性的；其它金屬，如銻(Antimony)，由于改變法規(guī)的結(jié)果可能落入毒性種類。 3.替代合金必須能夠具有電子工業(yè)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(yù)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。 4.替代合金還應(yīng)該是可循環(huán)再生的

4、- 將三四種金屬加入到無(wú)鉛替代焊錫配方中可能使循環(huán)再生過(guò)程復(fù)雜化，并增加成本。 不是所有的替代合金都可輕易地取代現(xiàn)有的焊接過(guò)程。美國(guó)國(guó)家制造科學(xué)中心(NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在1997年得出結(jié)論，對(duì)共晶錫-鉛焊錫沒(méi)有“插入的(drop-in)”替代品。1994年完成的，作為歐洲IDEALS計(jì)劃一部分的研究發(fā)現(xiàn)，超過(guò)200種研究的合金中，不到10種無(wú)鉛焊錫選擇是可行的。數(shù)量上足夠滿足焊錫的大量需求的元素包括，錫(Sn, tin)、銅(Cu, copper)、銀(Ag, silver)和銻(Sb, antimony)

5、。商業(yè)上可行的一些無(wú)鉛焊錫的例子包括，99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在這些替代合金內(nèi)的所有這些元素具有與錫-鉛焊錫不同的熔點(diǎn)、機(jī)械性能、熔濕特性和外觀?，F(xiàn)在工業(yè)趨向于使用接近共晶的錫銀銅(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。多數(shù)無(wú)鉛合金，包括錫-銀-銅，具有超過(guò)200°C的熔點(diǎn) - 高于傳統(tǒng)的錫-鉛合金的大約180°C的熔點(diǎn)。這個(gè)升高的熔點(diǎn)將要求更高的焊接溫度。對(duì)于元件包裝和倒裝芯片裝配，無(wú)鉛焊錫的較高熔點(diǎn)可能是一個(gè)關(guān)注，

6、因?yàn)樵b基底可能不能忍受升高的回流溫度(圖一)。設(shè)計(jì)者現(xiàn)在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的溫度，以及各向異性的(anisotropic)導(dǎo)電性膠來(lái)取代倒裝芯片和元件包裝應(yīng)用中的焊錫。無(wú)鉛合金的較高熔化溫度可提供一些優(yōu)勢(shì)，比如，提高抗拉強(qiáng)度和更好的溫度疲勞阻抗、使其適合于象汽車電子元件這樣的高溫應(yīng)用。 電路板與元件的表面涂層也必須與無(wú)鉛焊錫兼容。例如，銅表面涂層的板面上的焊接點(diǎn)可能在機(jī)械上和外觀上都受較高的無(wú)鉛焊錫的表面貼裝技術(shù)(SMT)回流焊接溫度的影響，它可能造成錫與銅之間有害金屬間化合物的形成。無(wú)鉛焊錫的外觀也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比傳統(tǒng)的錫-鉛焊錫缺少一點(diǎn)反光性)，

7、可能要求標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)控制程序的改變。最后，因?yàn)楝F(xiàn)在沒(méi)有高含鉛(high-lead-bearing)焊錫的替代品存在，所以完全的無(wú)鉛裝配還是不可能的。雖然現(xiàn)在的助焊劑系統(tǒng)與錫-鉛焊錫運(yùn)作良好，無(wú)鉛替代合金將不會(huì)在所有的板元件表面涂層上同樣的表現(xiàn)，不會(huì)容易地熔濕(wet)以形成相同的金屬間化合物焊接類型。因此可能需要改善助焊劑，提高熔濕性能，減少BGA焊接中的空洞。理想的無(wú)鉛焊錫合金將提供制造商良好的電氣與機(jī)械特性、良好的熔濕(wetting)能力、沒(méi)有電解腐蝕和枝晶的(dentritic)增長(zhǎng)的問(wèn)題、可接受的價(jià)格、和現(xiàn)在與將來(lái)各種形式的可獲得性。焊錫將使用傳統(tǒng)的助焊劑系統(tǒng)，不要求使用氮?dú)鈦?lái)保證有效的

8、熔濕。滿足波峰焊接、SMT和手工裝配要求的無(wú)鉛替代品今天都可在市場(chǎng)買到，雖然在元件無(wú)鉛合金、電路板表面涂層兼容性、助焊劑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和工藝問(wèn)題上要求更多的研究。 導(dǎo)電性膠(Conductive Adhesive) 傳統(tǒng)上導(dǎo)電性膠作為將集成電路膠接與引腳框架(lead frame)的芯片附著(die-attach)材料使用。它們也用于制作印刷電路的分層，將銅箔附著在電路板或柔性的基底上，以及將電路粘結(jié)到散熱片。由于無(wú)鉛倡議的結(jié)果，導(dǎo)電性膠已經(jīng)成為附著表面貼裝元件焊錫的一個(gè)有吸引力的替代品。 在室溫下固化，或暴露在100-150°C溫度之間快速處理，這些膠對(duì)粘結(jié)溫度敏感元件和在象塑料與玻璃這

9、樣的不可焊接的基板上提供電氣連接是很好的(圖二)。由于高度靈活性的配方，導(dǎo)電性膠也是諸如柔性電路的裝配與修理或柔性基板與連接器粘結(jié)這些應(yīng)用的解決方案(圖三)。導(dǎo)電性膠提供元件與電路板之間的機(jī)械連接和電氣連接。有三種類型的電氣導(dǎo)電性膠，配方提供需要電氣連接的特殊用處。與焊錫類似，各向同性的(isotropic)材料在所有方向均等的導(dǎo)電性，可用于有地線通路的元件。導(dǎo)電性硅膠(silicone)幫助防止元件受環(huán)境的危害，比如潮濕，并且屏蔽電磁與無(wú)線射頻干擾(EMI/RFI)的發(fā)射。各向異性的(anisotropic)導(dǎo)電性聚合物或Z軸膠片允許電流只在單個(gè)方向流動(dòng)，提供電氣連接性和舒緩倒裝芯片元件的應(yīng)

10、力。導(dǎo)電性膠是熱固環(huán)氧樹(shù)脂與諸如銀、鎳、金、銅和銦或氧化錫的導(dǎo)電性金屬顆粒(或金屬涂層)的化合物。相當(dāng)軟的金屬通過(guò)膠在固化期間收縮時(shí)的變形提供良好的顆粒接觸?，F(xiàn)在最常見(jiàn)的填充材料是銀，由于其價(jià)格適中、廣泛的來(lái)源與優(yōu)良的導(dǎo)電性。當(dāng)填充顆粒通過(guò)固化的樹(shù)脂膠承載電流時(shí)，即導(dǎo)電也導(dǎo)熱。伴生的導(dǎo)熱性消除了機(jī)械散熱的需要，提供在晶體管或微處理器與其散熱片之間的有效熱傳導(dǎo)。導(dǎo)電性膠是無(wú)鉛和無(wú)氟氯化碳(CFC-free)的，不危害臭氧層，并且不含VOC。這些材料提供良好的設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)樗鼈兛商畛洚愋螀^(qū)域和不同尺寸的間隙。較低的膠處理溫度減少能源成本，允許裝配中使用價(jià)格低廉的基板，減少PCB上的溫度-機(jī)械應(yīng)力

11、和元件的損傷。 焊錫與膠的比較 無(wú)鉛焊錫與導(dǎo)電性膠兩者都是強(qiáng)有力的候選材料，提供電子元件的電氣連接和熱傳導(dǎo)；可是，每個(gè)技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。取決于應(yīng)用，某個(gè)粘結(jié)技術(shù)可能提供較好的性能特性，或者提供工藝或成本的優(yōu)勢(shì)。本性上，焊錫形成金屬基底之間的冶金連接，而導(dǎo)電性膠形成基底表面的機(jī)械與化學(xué)粘結(jié)。冶金連接比導(dǎo)電性膠形成的粘結(jié)導(dǎo)電性更好，一般強(qiáng)度更高。因?yàn)槟z要求金屬填充物的有效擴(kuò)散，來(lái)提供良好的電氣特性。但是填充顆粒易于氧化，可能隨著時(shí)間降低膠的導(dǎo)電性，而焊錫易于浸析出(leaching)金屬(如，金或銅)，它可能脆化和削弱焊接點(diǎn)。膠會(huì)形成使金屬表面失去光澤和氧化的高強(qiáng)度粘結(jié)，這通常是不可焊接的。

12、焊錫的導(dǎo)熱性(60-65 W/mK)比膠的(3-25 W/mK)更高。焊錫的體積電阻系數(shù)(volume resistivity)為0.000015 ohm.cm，比膠的0.0006 ohm.cm少得多，表示焊錫通常比膠的導(dǎo)電性好。雖然無(wú)鉛焊錫一般在剛性基板上的抗機(jī)械沖擊比導(dǎo)電性膠更好，但是焊錫在柔性基板上易于應(yīng)力開(kāi)裂。除了有高度柔性的配方之外，導(dǎo)電性膠抗振動(dòng)與沖擊比焊錫好。因?yàn)槟z不提供焊錫表面張力的自我對(duì)中作用，使用膠的元件貼裝是關(guān)鍵的，特別是超密間距的元件。對(duì)中不好造成較差的電氣接觸和對(duì)機(jī)械力的抵抗力不足。焊錫很適合于J型引腳元件以及電鍍和浸錫元件。膠對(duì)具有多孔表面的電鍍?cè)c電路板粘結(jié)

13、良好。膠也是非可焊與高度柔性的基板的唯一無(wú)鉛替代。因?yàn)槟z可使用室溫或低溫固化機(jī)制，它們很適合粘結(jié)溫度敏感的裝配和元件。 焊錫經(jīng)常對(duì)要求返工的電路板更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟z要求較費(fèi)時(shí)的、可能損壞電路板元件的返工工藝。已經(jīng)配制出一些萬(wàn)能的環(huán)氧樹(shù)脂，專門用于大間距連接的返工與返修應(yīng)用。例如，如果電路板表面上的跡線(trace)被擦傷，那么可使用這類膠來(lái)在原焊接的地方修理電路。 成本問(wèn)題由于許多原因，無(wú)鉛焊錫和導(dǎo)電膠兩者都比傳統(tǒng)的錫-鉛焊錫更貴。鑒于鉛是屬于可得到的最廉價(jià)的金屬(每磅$0.40)，替代合金可能要貴得多。例如，銀的每磅價(jià)格大約為$90，錫$3.70，鉍$3.50，銅$0.85，和鋅$0.60。錫

14、膏通常到處的銷售價(jià)為每克$0.15-0.30，取決于量和合金類型。導(dǎo)電膠的價(jià)格變化很大，取決于使用的填充物的類型及其市場(chǎng)價(jià)格。導(dǎo)電膠的不同配方可有十倍或以上的變化因素。使用貴重金屬作填充物的導(dǎo)電膠的材料成本相對(duì)比無(wú)鉛焊錫或傳統(tǒng)膠的材料成本更高。就單材料成本而言，膠通常比焊錫貴幾倍。可是，膠的裝配與工藝要求大約為焊錫用于同一應(yīng)用的材料用量的一半。還有，膠的處理成本可能比焊錫低得多，因?yàn)槟z的粘結(jié)要求較少的步驟。雖然處理時(shí)間對(duì)焊接與膠粘結(jié)對(duì)差不多，膠不要求助焊劑應(yīng)用和清洗的時(shí)間與費(fèi)用，如在波峰焊接應(yīng)用中使用水洗型助焊劑。 以前使用CFC可迅速廉價(jià)地清除焊接助焊劑。在蒙特利爾協(xié)議(Montreal Protocol)之后，該協(xié)議要求制造商減少CFC的使用，CFC的使用已經(jīng)受到限制，電路板制造商經(jīng)常被迫使用效果較差和成本較高的方法來(lái)清除助焊劑，雖然許多已經(jīng)轉(zhuǎn)向免洗或可水