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無鉛焊料研發(fā)及應用

更新時間：2011-04-13　點擊量：2642

焊料從發(fā)明到使用，已有幾千年的歷史。Sn／Pb焊料以其優(yōu)異的性能和低廉的成本，一直得到人們的重用，現(xiàn)已成為電子組裝焊接中的主要焊接材料。但是，鉛及其化合物屬于有毒物質，長期使用會給人類生活環(huán)境和安全帶來較大的危害。從保護地球村環(huán)境和人類的安全出發(fā)，限制使用甚至禁止使用有鉛焊料的呼聲越來越強烈，這種具有悠久應用歷史的Sn／Pb焊料，將逐漸被新的綠色焊料所替代，在進入二十一世紀時，這將成為可能?！　?/div>

　　人體通過呼吸，進食，皮膚吸收等都有可能吸收鉛或其化合物，鉛被人體器官攝取后，將抑制蛋白質的正常合成功能，危害人體中樞神經(jīng)，造成精神混亂、呆滯、生殖功能障礙、貧血、高血壓等慢性疾病。鉛對兒童的危害更大，會影響智商和正常發(fā)育?！　?/div>

　　電子工業(yè)中大量使用的Sn／Pb合金焊料是造成污染的重要來源之一，在制造和使用Sn／Pb焊料的過程中，由于熔化溫度較高，有大量的鉛蒸氣逸出，將直接嚴重影響操作人員的身體健康。波峰焊設備在工作中產(chǎn)生的大量的富鉛焊料廢渣，對人類生態(tài)環(huán)境污染極大。近年來有關地下水中鉛的污染更引起人們的關注，除了廢棄的蓄電池大量含鉛外，丟棄的各種電子產(chǎn)品PCB上所含的鉛也不容忽視。以美國為例，每年隨電子產(chǎn)品丟棄的PCB約一億塊，按每塊含Sn／Pb焊料10克，其中鉛含量為40％計算，每年隨PCB丟棄的鉛量即為400噸。當下雨時這些鉛變成溶于水的鹽類，逐漸溶解污染水，特別是在遇酸雨時，雨中所含的硝酸和鹽酸，更促使鉛的溶解。對于飲用地下水的人們，隨著時間的延長，鉛在人體內(nèi)的積累，就會引起鉛中毒。

　　二十世紀九十年代初，由美國國會提出了關于鉛的限制法案，并由工作小組著手進行無鉛焊料的研究開發(fā)活動。目前，美國已在汽車、汽油、罐頭、自來水管等生產(chǎn)和應用中禁止使用鉛和含鉛焊料。但該法案對電子工業(yè)產(chǎn)生的效能并不大，在電子產(chǎn)品中禁止使用含鉛焊料進展緩慢。歐洲和日本等發(fā)達國家對焊料中限制鉛的使用也很關注。對于居住環(huán)境意識較強的歐洲，歐盟于1998年通過法案，已明確從2004年1月1日起任何制品中不可使用含鉛焊料，但因技術等方面的原因，在電子產(chǎn)品中*禁止使用鉛有可能推遲至2008年執(zhí)行。在無鉛焊料研究和應用方面，日本走得zui快。為了適應市場的需要，擴大*，日本提出了生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的概念。松下電器、日立、NEC、富士通等各大公司紛紛降低了鉛的使用，并制訂了無鉛化的進程計劃，從2000年開始已在部分產(chǎn)品生產(chǎn)中使用無鉛焊料?！　?/div>

　　此外，隨著微細間距器件的發(fā)展，組裝密度愈來愈高，焊點愈來愈小，而其所承載的力學、電學和熱學負荷則愈來愈重，對可靠性要求日益提高，但傳統(tǒng)的Sn／Pb合金的抗蠕變性差，不能滿足近代電子工業(yè)對可靠性的要求。因此，無鉛焊料的開發(fā)和應用，不僅對環(huán)境保護有利，而且還擔負著提高電子產(chǎn)品質量的重要任務。

　　近幾年來有關無鉛焊料的研究工作發(fā)展很快，世界上各大公司、國家實驗室和研究院所都投入了相當?shù)牧α块_展無鉛焊料的研究。國內(nèi)外的已有的研究成果表明，zui有可能替代Sn／Pb焊料的無毒合金是Sn基合金。無鉛焊料主要以Sn為主，添加A g　、Zn　、Cu　、Sb、Bi　、In等金屬元素。通過焊料合金化來改善合金性能，提高可焊性。由于Sn—In系合金蠕變性差，In極易氧化，且成本太高；Sn—Sb系合金潤濕性差，Sb還稍具毒性，這兩種合金體系的開發(fā)和應用較少。實際上二元系合金要做成為能滿足各種特性的基本材料是不完善的，目前zui常見的無鉛焊料主要是以Sn—A g　、Sn—Zn、Sn—Bi為基體，在其中添加適量的其它金屬元素所組成的三元合金和多元合金。如果單純考慮可焊性，能替代Sn／Pb共晶焊料的無鉛焊料很多，如下表所示?！　?/div>

　　綜觀Sn—A g　、Sn—Zn、Sn—Bi三個體系無鉛焊料，與Sn—Pb共晶焊料相比，各有優(yōu)缺點。Sn—A g系焊料，具有優(yōu)良的機械性能，拉伸強度，蠕變特性及耐熱老化性都比Sn—Pb共晶焊料*，延展性比Sn／Pb共晶焊料稍差，但不存延展性隨時間加長而劣化的問題。Sn—A g系焊料，熔點偏高，通常比Sn—Pb共晶焊料要高30—40℃，潤濕性差，而且成本高。熔點和成本是Sn—A g系焊料存在的主要問題。Sn—Zn系焊料，機械性能好，拉伸強度比Sn—Pb共晶焊料好，與Sn—Pb焊料一樣，可以拉制成線材使用；具有良好的蠕變特性，變形速度慢，至斷裂的時間長。該體系zui大的缺點是Zn極易氧化，潤濕性和穩(wěn)定性差，且具有腐蝕性。Sn—Bi系焊料，實際上是以Sn—A g（Cu）系合金為基體，添加適量的Bi組成的焊料合金，合金的zui大的優(yōu)點是降低了熔點，使其與Sn—Pb共晶焊料相近；蠕變特性好，并增大了合金的拉伸強度，但延展性變壞，變得硬而脆，加工性差，不能加工成線材使用?？傊?，目前雖然已開發(fā)出許多可以替代Sn—Pb合金的焊料，但尚未開發(fā)出一種完替代Sn／Pb合金的高性能低成本的無鉛焊料?！　?/div>

　　為了實現(xiàn)保護環(huán)境和提高產(chǎn)品質量為目的，并考慮電子組裝工藝條件的要求，無鉛焊料應滿足以下條件：熔點低，合金共晶溫度近似于Sn63／Pb37的共晶溫度183℃，大致在180℃～220℃之間；無毒或毒性很低，所選用的材料現(xiàn)在和將來都不會污染環(huán)境；熱傳導率和導電率要與Sn63?。疨b37的共晶焊料相當；具有良好的潤濕性；機械性能良好，焊點要有足夠的機械強度和抗熱老化性能；要與現(xiàn)有的焊接設備和工藝兼容，可在不更新設備不改變現(xiàn)行工藝的條件下進行焊接；與目前使用的助焊劑兼容；焊接后對各焊點檢修容易；成本要低，所選用的材料能保證充分供應?！　?/div>

　　這是研制開發(fā)無鉛焊料的方向，要做到滿足以上要求，有一定的難度，因此，對性能、成本均理想的綠色焊料的研制已成為研究的熱點。　　

　　電子組裝焊接是一個系統(tǒng)工程，對無鉛焊接技術的應用，其影響因素很多，要使無鉛焊接技術獲得廣泛應用，還必從系統(tǒng)工程的角度來解析和研究以下幾個方面的問題：　　

　　元件：目前開發(fā)已用于電子組裝用的無鉛焊料，熔點一般要比Sn63?。疨b37的共晶焊料高，所以要求元件耐高溫，而且要求元件也無鉛化，即元件內(nèi)部連接和引出端（線）也要采用無鉛焊料和無鉛鍍層?！　?/div>

　　PCB：要求PCB板的基礎材料耐更高溫度，焊接后不變形，表面鍍覆的無鉛共晶合金材料與組裝焊接用無鉛焊料兼容，而且要考慮低成本?！　?/div>

　　助焊劑：要開發(fā)新型的氧化還原能力更強和潤濕性更好的助焊劑，以滿足無鉛焊料焊接的要求。助焊劑要與焊接預熱溫度和焊接溫度相匹配，而且要滿足環(huán)保的要求。迄今為止，實際測試證明免清洗助焊劑用于無鉛焊料焊接更好?！　?/div>

　　焊接設備：要適應新的焊接溫度的要求，預熱區(qū)的加長或更換新的加熱元件、波峰焊焊槽，機械結構和傳動裝置都要適應新的要求，錫鍋的結構材料與焊料的一致性（兼容性）要匹配。為了提高焊接質量和減少焊料的氧化，采用新的行之有效的抑制焊料氧化技術和采用隋性氣體（例如N 2）保護焊技術是必要的?！　?/div>

　　廢料回收：從含A g的Sn基無鉛無毒的綠色焊料中分離Bi和Cu將是非常困難的，如何回收Sn—A g合金又是一個新課題。所以，無鉛焊料的實用化進程是否順利，與焊接設備制造商、焊料制造商、助焊劑制造商和元器件制造商四者間的協(xié)調作用有很大關系，其中只要有一方配合不好，就會對推廣應用無鉛焊料產(chǎn)生障礙。目前，焊接設備制造商已經(jīng)開始行動，正在推出或即將推出適應無鉛焊料焊接的回流焊爐?！　?/div>

　　此外，采用無鉛焊料替代Sn／Pb焊料在解決污染的同時，可能會出現(xiàn)一系列新的問題。例如Sn／Pb系列焊料中，Sn與Pb對H、Cl等元素的超電勢都比較高，而無鉛焊料中A g、Zn、Cu等元素對H、Cl的超電勢都很低，由于超電勢的降低而易引起焊接區(qū)殘留的H　、Cl離子遷移產(chǎn)生的電極反應，從而會引起集成電路元件短路。　

　　　盡管當前無鉛焊料的研究開發(fā)和應用正走向深入研究階段，但根據(jù)世界各國的開發(fā)狀況來看，要在短時間內(nèi)研制出使用性能超過Sn—Pb共晶焊料的高性能的無鉛焊料是一件困難的事情。全面考慮成本、性能的新型無鉛焊料標準尚未制訂，其測試方法和性能綜合評定方法也有待于在繼續(xù)的研制及應用過程中得以解決，還有許多工作要做。但是焊接材料的無鉛、無毒化方向已定，沒有別的選擇，只有行動起來，投身到研究、開發(fā)、推廣應用無鉛焊料的行列中去，為推動我國無鉛焊料的開發(fā)和應用，為地球村的環(huán)境保護作出應有的貢獻。

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