無鉛焊料研發及應用

焊料從發明到使用，已有幾千年的歷史。Sn／Pb焊料以其優異的性能和低廉的成本，一直得到人們的重用，現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，*使用會給人類生活環境和安全帶來較大的危害。從保護地球村環境和人類的安全出發，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。　　

　　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，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育。　　

　　電子工業中大量使用的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生的大量的富鉛焊料廢渣，對人類生態環境污染*。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，丟棄的各種電子產品PCB上所含的鉛也不容忽視。以美國為例，每年隨電子產品丟棄的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活動。目前，美國已在汽車、汽油、罐頭、自來水管等生產和應用中禁止使用鉛和含鉛焊料。但該法案對電子工業產生的效能并不大，在電子產品中禁止使用含鉛焊料進展緩慢。歐洲和日本等發達國家對焊料中限制鉛的使用也很關注。對于居住環境意識較強的歐洲，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，在電子產品中*禁止使用鉛有可能推遲至2008年執行。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*，日本提出了生產綠色產品的概念。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年開始已在部分產品生產中使用無鉛焊料。　　

　　此外，隨著微細間距器件的發展，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，但傳統的Sn／Pb合金的抗蠕變性差，不能滿足近代電子工業對可靠性的要求。因此，無鉛焊料的開發和應用，不僅對環境保護有利，而且還擔負著提高電子產品質量的重要任務。

　　近幾年來有關無鉛焊料的研究工作發展很快，世界上各大公司、國家實驗室和研究院所都投入了相當的力量開展無鉛焊料的研究。國內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。　　

　　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，各有優缺點。Sn—A g系焊料，具有優良的機械性能，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。總之，目前雖然已開發出許多可以替代Sn—Pb合金的焊料，但尚未開發出一種完替代Sn／Pb合金的高性能低成本的無鉛焊料。　　

　　為了實現保護環境和提高產品質量為目的，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，所選用的材料現在和將來都不會污染環境；熱傳導率和導電率要與Sn63　／Pb37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；要與現有的焊接設備和工藝兼容，可在不更新設備不改變現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。　　

　　這是研制開發無鉛焊料的方向，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：目前開發已用于電子組裝用的無鉛焊料，熔點一般要比Sn63　／Pb37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，即元件內部連接和引出端（線）也要采用無鉛焊料和無鉛鍍層。　　

　　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。　　

　　助焊劑：要開發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。　　

　　焊接設備：要適應新的焊接溫度的要求，預熱區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。　　

　　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生障礙。目前，焊接設備制造商已經開始行動，正在推出或即將推出適應無鉛焊料焊接的回流焊爐。　　

　　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殘留的H　、Cl離子遷移產生的電極反應，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和應用正走向深入研究階段，但根據世界各國的開發狀況來看，要在短時間內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、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和應用，為地球村的環境保護作出應有的貢獻。