无铅焊接的工艺

(中国电子科技集团公司第四十七研究所辽宁沈阳110032)

【摘 要】工业垃圾对环境的污染已成公害,随着人们环保意识的增强,一些国家和地区已明确提出禁止和消减使用有害物质,包括含铅焊料.本文介绍对环保有利的无铅焊接,重点说明无铅焊接的背景,无铅焊料的技术现状和焊接工艺.

【关 键 词】无铅焊接无铅焊料工艺设备

1.引言

焊接在电子工业中是不可缺少的技术,长期以来,锡铅焊料以其较低的熔点、良好的性价比以及易获得而成为低温焊料中最主要的焊料系列.但是近年来,由于技术的不断进步,电子产品不断向小型化、多功能化和高可靠性的方向发展,其应用领域也不断扩大,对焊料等互连材料提出了新的要求,在一些场合需要电子器件在高于100℃的环境下长期工作,这就要求焊点具有更高的强度和稳定的组织性能.传统的共晶锡铅焊料由于熔点偏低,在高温下的组织粗化易造成机械性能的恶化.另一方面,铅是一种具有毒素的金属元素,长期与含铅物质接触将对人体健康造成危害,同时还污染地下水和土壤,随着人类环保意识的日益增强,大范围禁止使用含铅物质的呼声越来越高.

2.无铅焊接技术背景

无铅技术最早是欧盟(议会和理事会)于2003年1月提出,并颁布RoHS指令,其全称是TheRestrictionoftheuseofcertainHazardoussubstancesinElectnicalandElectronicEquipment,即在电子与电气设备中限制使用某些有害物质的指令,也叫2002/95/EC指令,2005年欧盟对2002/95/EC进行了补充,量化了六种有害物质的最大值,并以2005/618/EC决议的形式通过.强制要求从2006年7月1日起,在欧洲市场销售的电子产品必须为无铅化要求.

我国是全球制造业大国,而且是出口大国,出口产品的70%以上涉及RoHS指令,因此,我国政府十分重视相关问题.2004年出台了《电子信息产品污染防治管理办法》,内容与RoHS指令类似.2005年中国标委会钎焊分技术委员会成立无铅标准的起草小组.2006年我国无铅标准完成拟订.

3.无铅焊料的要求

目前,国际上公认的无铅焊料定义是：以Sn为基体,添加了Ag、Cu、Sb、In等其他合金元素,而其中Pb的质量分数在0.2%以下的主要用于电子组装的软钎料合金［1］.一般无铅焊料的研究需满足以下要求：①全球储量足够满足市场要求；②无毒性；③能被加工成需要的所有形式；④相变温度（固/液相线温度）与锡铅焊料相近；⑤合适的物理性能,特别是电导率、热导率、热膨胀系数；⑥与现有元件基板/引线及PCB材料在金属学性能上兼容；⑦足够的力学性能：抗剪强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性；⑧良好的润湿性；⑨可接受的成本［2］.

4、不同体系无铅焊料的特点

4.1Sn-Bi系焊料

已知的Sn-Bi系焊料,通常是以Sn-58Bi为基本,它的熔点是138℃,比Sn-Pb焊料的熔点低,还具有更好的抗疲劳性能,适合于低温场合的焊接.适量的添加Ag可以提高抗拉强度和蠕变性能,添加Sn-Ag合金可减少焊点中空洞的出现.但是由于Bi需要从Pb的副产品中提取,若限制铅的使用,则Bi的来源会受到影响,且Bi很难被循环利用,故Sn-Bi系焊料的发展存在一定的局限.

4.2Sn-Zn系焊料

在Sn-Zn系焊料的研究中,是以熔点为199℃的Sn-9Zn焊料为基本,与Sn-Pb系焊料的熔点非常接近,力学性能优良,而且便宜.如果再添加微量的Bi、In或Ag等元素把熔点再降一些也使可能的［3］.现已公布发表的合金组合有：Sn-8Zn-5In-01Ag,合金的熔点是185～198℃；Sn-10Bi-8Zn,合金的熔点是186～188℃.Sn-Zn系焊料的缺点是耐氧化腐蚀性能差,由于Zn元素的活性好,容易形成氧化膜而降低润湿性,焊膏保存时间短.而且,Zn元素与助焊剂中的活性剂等成分易发生反应,使焊膏在短期内出现增粘现象,难以印刷.针对以上问题,可以通过调整助焊剂成分和采用氮气等惰性气氛进行保护等手段来尽量弥补其不足.

4.3Sn-In系焊料

Sn-In系合金共晶成分为Sn-51In,熔点为120℃.Sn-In系焊料可提供较好的热疲劳性能和抗碱性腐蚀性能,而且强度高,在Cu基体上的润湿性能好,蒸汽压低,能够应用于高真空密封焊接.但Sn-In系焊料中In元素的储量很少,且昂贵,所以Sn-In系焊料只能被用于特殊的场合［4］.

4.4Sn-Ag系焊料

Sn-Ag系焊料作为高熔点焊料很早就已经开始使用.该系合金具有良好的金属特性,据报道该合金是数μm以下的微细Ag3Sn化合物分散在Sn矩阵中的分数强化合金.这种微细的Ag3Sn化合物很稳定,即使在高温下也不容易粗大化.所以该系合金焊料具有良好的耐热疲劳性和很高的强度.Sn-Ag系焊料的蠕变性也很好,可加工成线料.Sn-Ag系焊料目前存在最大的问题是熔点偏高,润湿性较差.Sn-3.5Ag的共晶熔点是221℃,为降低熔点,通常是添加微量Bi、Cu、In等元素,同时可改善其润湿性,其中添加Cu元素可大大改善合金的综合性能.目前,最有发展潜力的是Sn-Ag-Cu系合金焊料.

在替代锡铅焊料的研究中,上述各体系无铅焊料各有特点,问题或多或少也都有,也有一些相应的对策（表1）,但仍需要更深一步的研究和开发.

表1各系无铅焊料的特征、问题点和对策

5.无铅带来的挑战

5.1设备

由于无铅焊料的熔点普遍比较高,所以焊接设备容易产生炉腔腐蚀、翘曲、轨道变形、密封性能变差等问题.因此,设备材料应该经过硬化等特殊处理,而且设备钣金接缝处应经过X光扫描确认没有裂缝和气泡,以免长时间使用后出现损坏和泄露,同时设备的隔热材料要好,保证设备高温区表面温度低于60℃［5］.

使用无铅系焊料进行焊接时还要避免设备的传输震动.传统Sn-37Pb锡铅焊料是一种共晶合金,其熔点及凝固点温度是相同的.而很多无铅系焊料不是共晶合金,比如Sn-Ag-Cu系焊料其熔点范围为217～221℃,温度低于217℃时为固态,温度高于221℃时为液态,当温度处于217℃至221℃之间时,合金呈现一种不稳定的状态,在焊点处于这种状态时,设备的机械振动很容易使焊点形态发生改变,造成扰动焊点,这在电子产品可接受条件IPC-A-610D标准中是一种不能接受的缺陷.因此,无铅焊接设备的传送系统应该具备良好的免震动结构设计,以避免扰动焊点的产生.

5.2工艺

无铅焊接对工艺的挑战主要来自于高温和较差的润湿性.焊接温度高,焊点冷却凝固的时间就会加长,造成焊点结晶颗粒长大,还会导致偏析、枝状结晶的形成,因此无铅焊接应增加冷却装置,使焊点快速降温.快速冷却的同时也要注意军用焊点、陶瓷封装器件易出现裂纹等问题.无铅比有铅的熔点高34～38℃,温度越高升温越困难,如果升温速率提不上去,长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活化反应,严重时会使PCB焊盘、元器件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良,因此在无铅焊接中助焊剂的浸润区要有更高的升温速率,同时助焊剂的活性也要进行改良［6］.

6.结束语

目前,无铅化正日益成熟,但完美的替代传统锡铅焊料的无铅焊料还没找到,已出现的无铅焊料都存在这样或那样的问题.无铅焊料、无铅焊接工艺和无铅焊接设备都还需要研究改进,逐步完善,以满足电子产品可靠性要求.但有一点可以肯定,随着研究的进一步深入以及对环保认识的逐渐加深,无铅焊接必将替代原本的锡铅焊接