無鉛焊料及相應(yīng)工藝

1、無鉛焊料及相應(yīng)工藝1主要內(nèi)容控制鉛的使用無鉛焊料的研究狀況推薦選用的無鉛焊料無鉛焊料的選用實施無鉛焊接工藝主要相關(guān)問題導(dǎo)電性膠2控制鉛的使用鉛在各種產(chǎn)品中的使用量產(chǎn)品使用量產(chǎn)品使用量蓄電池80.81%電纜1.40%氧化物（油畫、玻璃、陶瓷、顏料等）4.78%鑄造1.85%管道0.72%非電子焊料0.70%彈藥4.69%電子焊料0.49%鉛箔紙1.79%其他2.77%3控制鉛的使用鉛元素的毒性：毒害神經(jīng)系統(tǒng)和生育系統(tǒng)，特別是危害兒童的神經(jīng)發(fā)育。大部分電子垃圾最后都是埋在地下，經(jīng)滲透會對土壤造成嚴重污染，甚至滲入地下水危及人體健康。焊料由于技術(shù)和成本問題很難回收，而許多使用更多鉛的產(chǎn)品，在全世界大

2、部分市場都得到嚴格的控制和有效的回收。從歐洲到日本、美國，都已先后把治理“電子垃圾”作為當務(wù)之急。 4控制鉛的使用日本電子工業(yè)協(xié)會于1998年決定，主動在電子組裝中去除鉛。目標是2002年50%電子產(chǎn)品無鉛，2004年完全無鉛。歐洲議會于2002年12月通過決議草案，在2006年7月1日起開始全面禁止使用含鉛電子焊料。80年代初，美國立法禁止在汽油與管道焊接中使用鉛；1992年的Raid法案（尚未立法）中即包含了電子組裝中禁用鉛。美國NEMI于1999年成立專門工作組，目標是幫助北美公司在2001年啟動無鉛電子組裝，到2004年全面實現(xiàn)電子產(chǎn)品無鉛。5控制鉛的使用我國正在擬定的電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)

3、污染防治管理辦法規(guī)定： 自2006年7月1日起投放市場的國家重點監(jiān)管目錄內(nèi)的電子信息產(chǎn)品不能含有鉛、汞、鎘、六價鉻、聚合溴化聯(lián)苯（PBB）或者聚合溴化聯(lián)苯乙醚（PBDE）注：阻燃添加劑等。 但替代物的研發(fā)是一個龐大細碎的工程，牽涉到整機廠家、元器件廠家及其國外供貨商。中國尚缺少馬上能投入應(yīng)用的替代物。 6控制鉛的使用印制電路板及其裝配的無鉛化要求PCB表面采用錫鉛焊料作可焊和防氧化涂層時帶來的問題： PCB加工過程（電鍍錫鉛工序、腐蝕后錫鉛退除工序、噴錫工序等）會接觸到鉛。 錫鉛電鍍等含鉛廢水及熱風(fēng)整平(噴錫)的含鉛氣體對環(huán)境帶來影響。 在目前高密度互連產(chǎn)品中并不完全適宜（平整度不夠、硬度不夠

4、、接觸電阻太大 ）。 PCB裝配中采用錫鉛焊料進行波峰焊、再流焊或手工焊操作中都有鉛氣體存在，影響人體和環(huán)境。同時在PCB上留下更多的鉛含量。 7市場競爭分析 市場需求就足以推動無鉛電子組裝分析表明： 20%的消費者在購買產(chǎn)品時會積極考慮其對環(huán)境的影響。 45%的消費者會由于其環(huán)境安全性而購買某種產(chǎn)品。 50%的消費者在發(fā)現(xiàn)某產(chǎn)品危害環(huán)境時會轉(zhuǎn)向其它品牌。 價格和質(zhì)量相近時，76%的消費者會選擇具有環(huán)境安全性的產(chǎn)品。如：日本所有大型消費類電子產(chǎn)品公司都在大量生產(chǎn)無鉛電子產(chǎn)品，推銷時使用“綠色產(chǎn)品”作為競爭賣點。松下1998年推出了微型CD播放機，包裝上用一片綠色的樹葉作為環(huán)保安全標志，市場份額

5、從4.7%增長到15%。8市場競爭分析在世貿(mào)組織原則下，同樣也是市場準入門檻的環(huán)保法令將直接影響各國的產(chǎn)品進出口額。發(fā)達國家這幾年設(shè)置的貿(mào)易壁壘正從關(guān)稅型轉(zhuǎn)向技術(shù)型，往往表現(xiàn)為掌握核心技術(shù)后，再提高進入門檻。不應(yīng)排除從原材料環(huán)節(jié)就實施行業(yè)控制的可能性。 現(xiàn)北美電子制造商所經(jīng)受的壓力是經(jīng)濟上的，而不是法令上的。為消除其產(chǎn)品再不能出口到亞洲和歐洲電子市場的危險，制造商們正在尋找可行的含鉛焊錫的替代者，包括無鉛焊錫材料與可導(dǎo)電性膠 。9無鉛焊料的研究狀況 尋求年使用量為5-6萬噸的Sn-Pb焊料的替代品十個基本要求：其全球儲量足夠滿足市場要求。（銦、鉍等不行）無毒性。（鎘、碲、銻等不行）能被加工成需

6、要的所有形式。（焊絲、焊膏、焊條）替代合金也可以再循環(huán)利用。（不能包含多種金屬元素）相變溫度（固/液）與Sn-Pb焊料相近。合適的物理性能。（電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等）與現(xiàn)有元器件基板、引線及PCB材料在金屬學(xué)性能上兼容。足夠的力學(xué)性能：剪切強度、蠕變抗力、等溫疲勞抗力、熱機疲勞抗力、金屬學(xué)組織的穩(wěn)定性。良好的潤濕性。可接受的成本價格。10無鉛產(chǎn)品定義：焊料中鉛含量的重量百分比小于1%注意：1） 只對焊料，不對整個產(chǎn)品。 2）鉛含量超過85%的焊料不包括在內(nèi)。 目前已經(jīng)有超過100個無鉛焊料的專利，由于性能與價格方面的原因，只有其中一小部分可以實用化。 實用化焊料通常按熔點范圍分類： 1)

7、 低熔點 ：180 2）等同熔點：180-200 3）中熔點：200-230 4）高溫合金：230-250 11推薦選用的無鉛焊料美國：回流焊 95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu (217 ) 波峰焊 99.3Sn-0.7Cu (227 )歐洲：通用 95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu 特殊用途 99.3Sn-0.7Cu, 96.5Sn-3.5Ag日本：回流焊 Sn-(2-4)Ag-(0.5-1)Cu Sn-(2-4)Ag-(1-6)Bi 波峰焊 Sn-(2-4)Ag-(0.5-1)Cu Sn-0.7Cu (加In1-3%) 首選 96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu12無鉛焊料的選用將來

8、不可能有一種所謂“標準”的無鉛焊料，幾種不同的無鉛焊料各有利弊，其選用取決于產(chǎn)品和工藝的具體要求。無鉛焊料由于其填加成分價格較高，故其價格明顯高于錫鉛焊料。在選用無鉛焊料時，要特別注意避開專利問題。13實施無鉛焊接工藝主要相關(guān)問題1 ）需要更高的工藝溫度 以回流焊為例：普通含鉛焊膏的溫度工藝窗口為208-235 ，而無鉛焊膏因為熔點高、潤濕性差、回流時自對位能力較差，其溫度工藝窗口為242-262 。溫度提高可能損傷溫度敏感元器件，塑封器件開裂等很多元器件能承受的溫度都在262以下。 溫度超過150時，PCB會發(fā)生玻璃態(tài)相變，導(dǎo)致PCB翹曲、分層、變色（阻燃劑的限制問題）。溫度工藝窗口變小及自

9、對位能力較差要求焊接設(shè)備及工藝優(yōu)化工具能精確的控制溫度及貼片位置。較高的溫度及較長的滯留時間帶來防氧化問題。生產(chǎn)率下降及能耗上升導(dǎo)致成本增加。14實施無鉛焊接工藝主要相關(guān)問題2）純錫表面的錫鬚生長問題： 純錫表面會逐漸生長錫鬚，甚至可長到10mm以上，造成電氣性短路。必須采取措施降低其造成的可靠性風(fēng)險。3）鉛和鉍污染造成“焊點起皺”。 無鉛焊接的元器件必須選用焊腳也無鉛的。4）生產(chǎn)實施的過渡。 從原焊接工藝轉(zhuǎn)到無鉛焊接，材料、設(shè)備、操作方法等各方面都有很多改變；需要做大量的設(shè)計、認定、試驗和測試驗證工作。15實施無鉛焊接工藝主要相關(guān)問題5）檢驗問題： 無鉛焊點表面暗淡，容易產(chǎn)生一定程度的“焊點

10、起皺”和邊沿翹起的現(xiàn)象。許多原來用以檢驗的儀器設(shè)備需要改變，檢驗標準和方法需要重新制定。 6）返修焊料的兼容性以及被維修點的材料確認問題： 返修焊料應(yīng)盡可能與生產(chǎn)用的焊料一致，以免發(fā)生電化學(xué)問題。16實施無鉛焊接工藝主要相關(guān)問題使用有鉛焊絲及無鉛焊絲的比較：一：成分區(qū)別A 通用6337焊絲組成：63的Sn；37的Pb。B 無鉛焊絲的主要組成（例）： 96.5%Sn；3.0Ag；0.5Cu二：熔點、焊接溫度及焊接速度：焊絲種類 熔點 焊接溫度 焊接速度6337焊絲 183 350 大約4秒/個無鉛焊絲 220 390 大約6秒/個 17導(dǎo)電性膠導(dǎo)電性膠是熱固環(huán)氧樹脂與導(dǎo)電性金屬顆粒的混合物。相當

11、軟的金屬通過膠在固化期間收縮時的變形提供良好的顆粒接觸?，F(xiàn)在最常見的填充材料是銀，由于其價格適中、廣泛的來源與優(yōu)良的導(dǎo)電性。伴生的導(dǎo)熱性消除了機械散熱的需要，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)電性膠是無鉛和CFC的，不危害環(huán)境。可填充異形區(qū)域和不同尺寸的間隙，提供良好的設(shè)計靈活性。較低的膠處理溫度減少能源成本，允許裝配中使用價格低廉的基板，減少PCB上的溫度-機械應(yīng)力和元件的損傷。 18導(dǎo)電性膠 提供元件與電路板之間的機械連接和電氣連接可使用室溫或低溫固化以粘結(jié)溫度敏感元件。在不可焊接的基板（塑料、玻璃）上提供電氣連接。柔性電路的裝配與修理或柔性基板與連接器粘結(jié)。各向同性的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)電性硅膠幫助防止元件受環(huán)境（如潮濕）的危害，并且屏蔽電磁與無線射頻干擾(EMI/RFI)的發(fā)射。各向異性的導(dǎo)電性聚合物允許電流只在單個方向流動，提供電氣連接性和舒緩倒裝芯片元件的應(yīng)力。導(dǎo)電性膠抗振動與沖擊比焊錫好。 19導(dǎo)電性膠導(dǎo)電膠的連接強度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性均不如焊錫，且填充顆粒易于氧化，導(dǎo)電性可能隨著時間降低。無自對中作