无铅焊锡有什么特点？

世界上，对无铅焊锡替代品的兴趣正在戏剧性地增加，主要因为在亚洲和欧洲都开始迅速地消除含铅焊锡在电子装配中的出现。日本的电子制造商已经自愿地要求到2001年在国内制造或销售的产品是无铅的。

李韵鹤

2020-3-16 13:52:36

无铅焊锡的背景
常见的无铅焊锡及参数
无铅焊锡的性能特点
替代铅作为焊料的元素

无铅焊锡的背景

　　世界上，对无铅焊锡替代品的兴趣正在戏剧性地增加，主要因为在亚洲和欧洲都开始迅速地消除含铅焊锡在电子装配中的出现。日本的电子制造商已经自愿地要求到2001年在国内制造或销售的产品是无铅的。欧洲也在要求无铅电子，正如1998报废电气与电子设备指示(WEEE)所要求的那样。可是，由于欧洲社会的反对，有许多理由支持把铅从电子焊锡材料中消除的努力。除了来自该元素毒性的环境压力之外，其它动机包括有害废物处理的关注、工作场所安全性考虑、设备可靠性问题、市场竞争性、以及环境共同形象的维护。
　　现在北美电子制造商所经受的压力本来是经济上的，而不是法令上的。为了消除其产品再不能出口到亚洲和欧洲电子市场的危险，制造商们正在寻找可行的含铅焊锡的替代者，所以就出现了无铅焊锡材料。
　　无铅焊锡技术不是新的。多年来，许多制造商已经在一些适当位置应用中使用了无铅合金，提供较高的熔点或满足特殊的材料要求。可是，今天无铅焊锡研究的目的是要决定哪些合金应该用来取代现在每年使用的估计50,000吨的锡-铅焊锡。取消资源丰富价格便宜的(大约每磅0.40美元)铅，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加许多。

常见的无铅焊锡及参数

　　和温度、机械、蠕变、疲劳特性一样，熔化温度点是最重要的焊锡特性之一。表四提供了现时能买到的无铅焊锡一览表。
　　无铅焊锡化学成份熔点范围说明
　　48Sn/52In118° C 共熔低熔点、昂贵、强度低
　　42Sn/58Bi138° C 共熔已制定、Bi的可利用关注
　　91Sn/9Zn199° C 共熔渣多、潜在腐蚀性
　　93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu218° C 共熔高强度、很好的温度疲劳特性
　　95.5Sn/3.5Ag/1Zn218~221° C高强度、好的温度疲劳特性
　　99.3Sn/0.7Cu227° C高强度、高熔点
　　95Sn/5Sb232~240° C好的剪切强度和温度疲劳特性
　　65Sn/25Ag/10Sb233° C摩托罗拉专利、高强度
　　97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag226~228° C高熔点
　　96.5Sn/3.5Ag221° C 共熔高强度、高熔点
　　应该注意到，无铅焊锡的化学成份还正在优化，以达到所希望的特性。表四中的焊锡化学成份可能在商业上购买的焊锡中有稍微的不同。

谭艳红

2020-3-16 13:52:40

无铅焊锡的性能特点

　　多数无铅合金，包括锡-银-铜，具有超过200°C的熔点 - 高于传统的锡-铅合金的大约180°C的熔点。这个升高的熔点将要求更高的焊接温度。对于元件包装和倒装芯片装配，无铅焊锡的较高熔点可能是一个关注，因为元件包装基底可能不能忍受升高的回流温度。设计者现在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的温度，以及各向异性的(anisotropic)导电性胶来取代倒装芯片和元件包装应用中的焊锡。
　　无铅合金的较高熔化温度可提供一些优势，比如，提高抗拉强度和更好的温度疲劳阻抗、使其适合于象汽车电子元件这样的高温应用。
　　电路板与元件的表面涂层也必须与无铅焊锡兼容。例如，铜表面涂层的板面上的焊接点可能在机械上和外观上都受较高的无铅焊锡的表面贴装技术(SMT)回流焊接温度的影响，它可能造成锡与铜之间有害金属间化合物的形成。无铅焊锡的外观也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比传统的锡-铅焊锡缺少一点反光性)，可能要求标准品质控制程序的改变。最后，因为现在没有高含铅(high-lead-bearing)焊锡的替代品存在，所以完全的无铅装配还是不可能的。
　　虽然现在的助焊剂系统与锡-铅焊锡运作良好，无铅替代合金将不会在所有的板元件表面涂层上同样的表现，不会容易地熔湿(wet)以形成相同的金属间化合物焊接类型。因此可能需要改善助焊剂，提高熔湿性能，减少BGA焊接中的空洞。
　　理想的无铅焊锡合金将提供制造商良好的电气与机械特性、良好的熔湿(wetting)能力、没有电解腐蚀和枝晶的(dentritic)增长的问题、可接受的价格、和现在与将来各种形式的可获得性。焊锡将使用传统的助焊剂系统，不要求使用氮气来保证有效的熔湿。
　　满足波峰焊接、SMT和手工装配要求的无铅替代品今天都可在市场买到，虽然在元件无铅合金、电路板表面涂层兼容性、助焊剂系统开发和工艺问题上要求更多的研究。

替代铅作为焊料的元素

　　选择用来取代铅的材料必须满足各种要求：
　　●它们必须在世界范围内可得到，数量上满足全球的需求。某些金属 - 如铟(Indium)和铋(Bismuth) - 不能得到大的数量，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。
　　●也必须考虑到替代合金是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉(Cadmium)和碲(Tellurium)，是毒性的；其它金属，如锑(Antimony)，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。
　　●替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型(preform)。不是所有建议的合金都可制成所有的形式，例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。
　　●替代合金还应该是可循环再生的 - 将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并增加成本。
　　不是所有的替代合金都可轻易地取代现有的焊接过程。美国国家制造科学中心(NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在1997年得出结论，对共晶锡-铅焊锡没有“插入的(drop-in)”替代品。1994年完成的，作为欧洲IDEALS计划一部分的研究发现，超过200种研究的合金中，不到10种无铅焊锡选择是可行的。
　　数量上足够满足焊锡的大量需求的元素包括，锡(Sn, tin)、铜(Cu, copper)、银(Ag, silver)和锑(Sb, antimony)。商业上可行的一些无铅焊锡的例子包括，99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在这些替代合金内的所有这些元素具有与锡-铅焊锡不同的熔点、机械性能、熔湿特性和外观。现在工业趋向于使用接近共晶的锡银铜(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。

无铅焊锡的性能特点

　　多数无铅合金，包括锡-银-铜，具有超过200°C的熔点 - 高于传统的锡-铅合金的大约180°C的熔点。这个升高的熔点将要求更高的焊接温度。对于元件包装和倒装芯片装配，无铅焊锡的较高熔点可能是一个关注，因为元件包装基底可能不能忍受升高的回流温度。设计者现在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的温度，以及各向异性的(anisotropic)导电性胶来取代倒装芯片和元件包装应用中的焊锡。
　　无铅合金的较高熔化温度可提供一些优势，比如，提高抗拉强度和更好的温度疲劳阻抗、使其适合于象汽车电子元件这样的高温应用。
　　电路板与元件的表面涂层也必须与无铅焊锡兼容。例如，铜表面涂层的板面上的焊接点可能在机械上和外观上都受较高的无铅焊锡的表面贴装技术(SMT)回流焊接温度的影响，它可能造成锡与铜之间有害金属间化合物的形成。无铅焊锡的外观也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比传统的锡-铅焊锡缺少一点反光性)，可能要求标准品质控制程序的改变。最后，因为现在没有高含铅(high-lead-bearing)焊锡的替代品存在，所以完全的无铅装配还是不可能的。
　　虽然现在的助焊剂系统与锡-铅焊锡运作良好，无铅替代合金将不会在所有的板元件表面涂层上同样的表现，不会容易地熔湿(wet)以形成相同的金属间化合物焊接类型。因此可能需要改善助焊剂，提高熔湿性能，减少BGA焊接中的空洞。
　　理想的无铅焊锡合金将提供制造商良好的电气与机械特性、良好的熔湿(wetting)能力、没有电解腐蚀和枝晶的(dentritic)增长的问题、可接受的价格、和现在与将来各种形式的可获得性。焊锡将使用传统的助焊剂系统，不要求使用氮气来保证有效的熔湿。
　　满足波峰焊接、SMT和手工装配要求的无铅替代品今天都可在市场买到，虽然在元件无铅合金、电路板表面涂层兼容性、助焊剂系统开发和工艺问题上要求更多的研究。

替代铅作为焊料的元素

　　选择用来取代铅的材料必须满足各种要求：
　　●它们必须在世界范围内可得到，数量上满足全球的需求。某些金属 - 如铟(Indium)和铋(Bismuth) - 不能得到大的数量，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。
　　●也必须考虑到替代合金是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉(Cadmium)和碲(Tellurium)，是毒性的；其它金属，如锑(Antimony)，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。
　　●替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型(preform)。不是所有建议的合金都可制成所有的形式，例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。
　　●替代合金还应该是可循环再生的 - 将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并增加成本。
　　不是所有的替代合金都可轻易地取代现有的焊接过程。美国国家制造科学中心(NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在1997年得出结论，对共晶锡-铅焊锡没有“插入的(drop-in)”替代品。1994年完成的，作为欧洲IDEALS计划一部分的研究发现，超过200种研究的合金中，不到10种无铅焊锡选择是可行的。
　　数量上足够满足焊锡的大量需求的元素包括，锡(Sn, tin)、铜(Cu, copper)、银(Ag, silver)和锑(Sb, antimony)。商业上可行的一些无铅焊锡的例子包括，99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在这些替代合金内的所有这些元素具有与锡-铅焊锡不同的熔点、机械性能、熔湿特性和外观。现在工业趋向于使用接近共晶的锡银铜(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。

周必镜

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李韵鹤

谭艳红

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