[焊接材料的发展现状与发展趋势]行业发展现状

焊接材料的发展现状与发展趋势

陈昌旭

（桂林电子科技大学 0500150206）

摘 要：近年来，虽然在电子封装行业中仍然存在着不少的企业在继续采用有铅焊料，但是这并不妨碍“无铅化”成为电子材料、微电子制造、电子封装和SMT 等有关的国际研讨会和学术交流会的中心内容或者是主要议题，几十种专业技术刊物几乎每一期都有无铅专题，在百度或Google 等著名名搜索引擎上，可找到的“无铅化”信息有成千上万条，而且还在不断增加中[1]。无论是环境的要求还是作为竞争的筹码，无铅焊料在表面组装领域中的应用已经是不可回避。然而无铅化仍然存在材料、工艺、设备、系统兼容等问题。在解决材料及电子产品可靠性的同时电子工业正在向无铅组装转变。这一努力是由环保方面的考虑，政府的立法以及无铅电子封装的市场利益所驱动的。在无铅组装的执行中虽然需要做出许多的决定，但不可否认的是，无铅焊料已经逐渐成为电子封装行业中的当前以及未来主要的焊接材料。

关键词：焊接材料，发展趋势，无铅

[2]

The development of welding materials and

the development trend

chen chang xu

(Guilin University of Electronic Science and Technology 0500150206)

Abstract:In recent years, although the electronic packaging industry there are still many enterprises were to have lead solder, but this does not preclude the "lead-free" has become electronic materials, microelectronics manufacturing, such as electronic packaging and SMT The international seminars and academic exchanges will be at the centre or the main topic, dozens of professional and technical publications have lead-free period of almost every topic, in Baidu or Google search engine and other well-known name, can find the "Lead "Thousands of information, but also continue to increase. Whether environmental requirements or as a bargaining chip in competition, lead-free solder assembly on the surface in the field of application is already unavoidable. But there are still lead-free materials, technology, equipment, systems compatibility and other issues. In resolv ing the reliability of materials and electronic products, while the electronics industry are changing to lead-free assembly. This effort by environmental considerations, the Government"s legislative and lead-free electronic packaging market-driven interest. Lead-free assembly in the implementation Although many need to make the decision, but it is undeniable that lead-free solder has gradually become the electronic packaging industry in the current and future major welding materials.

Key words: welding materials, development trends, unleaded

1 焊接材料的发展现状

欧盟关于废旧电子电器产品的指令(Directive on WastElectrical and Electronic Equipment) 和（关于电子电器产品限制使用某些有害物质的指令)(Directive on Restrictive of Use Of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment) 的两个指令正式生效，即自2006年7月1日起在欧洲市场上销售的电力电子产品必须为无铅产品[2]。因而，无铅钎料在微电子行业表面组装技术领域中的应用已经是不可回避。不管无铅的进程中有多大阻力，这些阻力可能来自于材料自身(性能、成本等) ，或者来自于生产中发生的新问题(如工艺的调整、附件的适应、设备的兼容以及污染及能耗等) ，或者来自于人们的主观认识等，因此无论目前的无铅焊接材料有多么不成熟，无铅化的进程是不会停止的，而且在激烈的市场竞争中，为了占领市场，人们还往往会以绿色产品作为杀手铜，因此电子产品无铅化将会按照预定要求的日程加速走下去。

中国电子电气行业企业将无论如何避不开欧盟设立的这道门槛。如果国内企业还没有意识到这一问题的严重性，那么无铅化对国内企业及其产品带来的冲击是，出口产品难以走出国门，而进口产品的国产化率将大大降低[2]。

正如摩托罗拉(中国) 电子有限公司科协主席刘维跃所言，倘若包括手机在内的电子产品生产商的配套零部件企业不能应对指令所做出的规定，产商的供应链将可能发生重组。即如果国内的零部件配套企业无法达到欧盟指令的要求，包括手机在内的众多电子产品生产企业的国产化率将大为降低，如果以前国产化率是60％，那么在指令实施后则可能骤降至10％。而如果没有绿色商标，国内产品则将难以跨出国门，或者出门后等待的将是高额环境税的征收。有铅焊料已经逐渐退出了历史的舞台，虽然在焊点可靠性已经焊点光泽度及其他的机械性能等方面上含铅焊料优于无铅焊料，但是。传统的锡铅焊料中含有大量的铅, 长期使用会给人类生活环境和安全带来较大危害。美国、欧盟、日本等已颁布了禁止使用铅及其化合物的立法。大力发展无铅的绿色焊料焊膏便成了当务之急，而有铅焊料已经失去了存在和发展的意义[1]。 [1]

2 无铅焊接材料的挑战

无铅SMT 工艺在许多方面不同于63／37共晶材料[2]工艺，若能理解它们的差别，变更相应的SMT 生产工艺，可以大幅度减少缺陷，提高无铅组装的可靠性，保持稳定的生产率。含铅和无铅工艺的主要差别如下[3]：

(1)物理性能：熔点，表面张力，氧化势，冶金和金属沥滤势等；

(2)峰值温度和预热温度；

(3)PCB和元件的无铅修整；

(4)钎料的修整和表面效应；

(5)可焊性差异：润湿，铺展速度等；

(6)元器件的自向心和对位性能。

2.1 无铅焊料的必要条件[3]

电子工业采用60／40、63／37焊料已有50多年的历史，已形成非常成熟的工艺，因此要取代有铅焊料必须满足一些基本条件(见图1) 。

首先从电子焊接工艺的要求出发，为了不破坏元器件的基本特性，所用无铅焊料熔点必须接近锡铅共晶焊料的熔点183℃，这是由于熔点高的焊料将超过电子元件的耐热温度，同时由于再流焊炉制约，因此不可以使用熔点高的焊料。其次从可焊性的观点出发，必须与电子元件及印制板的镀层铜、镍、银等有良好的润湿。从电子产品的可靠性出发，为了形成良好的冶金结合的焊点，焊料本身的机械强度是非常重要的。特别要求焊点具有耐热疲劳性能，这是由于电子产品在使用过程中不可避免的会产生发热现象而产生热膨胀，同时在不使用时温度下降会产生收缩如此反复循环将在焊点处发生热疲劳现象。

从焊接的实际操作来看[2]，焊接缺陷尽可能少是非常重要的。桥接、拉尖等不良缺陷均和焊料的润湿性有密切关系。在再流焊接时，由于母材表面氧化，为了提高焊剂的去氧化作用，必须使用有活性的助焊剂予以去除，但是这样将产生残留物而出现腐蚀和电迁移等现象。同时，在流动焊时，由于波峰焊产生的氧化锡渣，不仅造成焊点不良率上升，同时也增加成本。此外焊膏的保存性是进行良好印刷的必要条件。由于在存放期间焊膏内的助焊剂与合金发生反应而劣化，造成粘度升高、印刷不良等。以上均是无铅焊料必须考虑的问题。从这些观点出发来选择适当的无铅焊料非常重要。表1所示为从1980年以来开发的无铅共晶合金的特性比较。当前实用的锡银铜等主流无铅焊料就是在此基础上发展而来。

2.2 无铅焊料和有铅焊料的比较及其特点

从检索的专利资料看，与无铅钎料相关的专利已达上千个，但通过对钎料成分和直接替代共晶锡铅钎料的有效性分析，相关的专利近百个，而其中与SnAgCu 系相关的专利占到约三分之一[5]．专利中分别涉及到合金的成分、冶炼工艺、钎料形式及制备方法以及相关的性能等。而作为与锡铅共晶钎料熔点最为接近的锡锌合金，由于其良好的力学性能及价格优势，

专利数也占着相当大的比例，是未来潜在的锡铅替代合金。常见的无铅钎料的成分如下表l 所示。

[8]

科技人员经过努力，对无铅焊料成分已经达成的共识：以sn 为基体，添加Cu 、Ag 、Bi 、Z 及In 等合金元素，目前常用的配方为：955Sn ／40Ag ／05Cu 。下表2是推荐选用的三种合金。

锡银铜无铅焊料有比较好的机械特性，具有锡铅焊料的1．5-2．0倍的抗张强度和非常优秀的抗热疲劳性能，但另一方面对铜的润湿性差，从扩散率来看，锡铅焊料扩散率超过90％，而锡银铜焊料在80％左右，锡锌焊料在大气下扩散率非常差。但是由于技术不断进步，目前锡银铜无铅焊膏的润湿性已取得了明显提高，几乎达到锡铅焊膏的水平[3]。

2.3 无铅焊接和有铅焊接工艺比较及其特点[3]

在当前主要采用的再流焊工艺技术中，从锡铅焊料到锡银铜焊料，在实际操作时将发生很大的变化。

（1）目前最常用的锡一3．0银．0．5铜其熔点在217-219℃，在进行再流焊时，可操作的最低工艺温度应为液相温度加10℃，这就比锡铅共晶焊料的熔点高出40℃。不难看出，操作温度的上升与元器件的耐热温度(240℃) 的差由于无铅焊料的高熔点，对温度曲线的要

求将会有一点改变，因此在再流设备的设置上也需要有一些变化。一个基本的改变，就是在再流期间需要一个更为平坦的温度曲线变化。由于更小的工艺窗口，峰值温度和高于液化温度的时间（TAL ）的要求必须被达到，同时不能使组件或器件过热。一个长的再流区域和对产品的高效率热传导是必须的。这样由于熔点的上升，焊接工艺和设备都将发生重大的变化，为此，对于实行锡银铜焊料的无铅化，降低其熔点将是被关注的焦点问题[4]。

针对再流需要使用两个温区或者在再流温区采用相反峰值爬升的方法，这一问题可以被解决。采用这种方法时，使倒数第二个加热区相对最后一个加热区维持一个更高的温度，从而更快地将热量传导到板子上。最后一个温区则用来在组件上维持一个一致的温度。

（2）一般认为锡银铜比锡铅润湿性低，其扩散率在75％．80％，比锡铅下降15％左右。为了提高可焊性，在助焊剂中增加活性剂是必要的，但这样一来又会造成粘度升高等不良现象。另外，由于无铅焊料表面张力比有铅焊料高，在同样条件下润湿性也会变差[4]。

（3）由于无铅焊料的熔点高，则在钎焊时，元器件的最高温度受硅晶片暴露所能承受的最高温度限制。一般元件的表面温度限制到250℃，此时内部硅片还没有达到250℃，PCB 限制在235℃。同时还要控制钎焊过程的加热速率，以保证不引起热冲击损伤。铝电解电容不能承受高温钎焊。这种元件正常的最高操作温度为225℃，因此这种元件必须找出替代品。钽基电容温度阈值很高，约300℃，但是因原材料的可获得性及成本等因素，其应用受到限制。因此必须考虑峰值温度与元器件的耐热温度的适应性(230-240℃) ，因此预热终点温度要高，有热容量差异的元器件温度能达到均匀。此外由于元器件与母材的氧化，焊膏活性的损失容易产生焊球，当用锡铅焊膏的助焊剂用于锡银铜焊膏时必须提高预热温度和预热时间，针对焊接温度的变化可能带来的问题，必须开发用于无铅焊膏的助焊剂[5]。

2.4 无铅焊接实践中可能出现的问题、难点、方向以及预防方法

2.4.1桥接、焊球、芯片间锡珠缺陷

这三类缺陷都是因钎料选择而产生的。由于无铅工艺的预热更高，焊膏的热坍塌性能就 至关重要，需要的是在更高温度如185~C具有良好抗热坍塌性的焊膏。对于细间距的元件， 选择具有热稳定胶体化剂的无铅焊膏也非常重要。

2.4.2引脚和焊盘的润湿差

在无铅焊接中，无润湿或润湿不足也常常遇到，主要原因是：焊膏的活性水平太低，预 热温度过高，预热时间过长，钎料休整困难，超液相线温度停留时间不足，欲联接元器件过 度氧化。锡一银一铜钎料润湿多数金属都比较缓慢，因此需要在钎料熔点之上停留更多的时 间，以达到良好的汲取和钎料铺展，通常峰值温度为235～245clC ，时间范围为60～70s 。

2.4.3无铅焊点和BGAS 的空洞

焊点中空洞产生的原因有；焊膏化学配方；钎料表面张力效应；热定型；焊点表面氧 化；引脚几何尺寸、焊点形状；PCB 板和元件的金属化。

优化再流温度曲线以脱除挥发物，延长预热时间和增加液相线以上停留时间将有助于减 [6]

少空洞的滞留。确保元件和PCB 板远离潮气和涂覆污染物也有益于空洞的减少。

2.4.4无铅工艺的“碑立”缺陷

无铅作业可能会增加较小元件隆起的几率。其原因部分是由于无铅合金的润湿性能受到 削弱。如果一种焊膏在钎料粉末熔化的初始阶段表现出过度的放气特性，也将增加“碑立” 缺陷率。

2.4.5无铅作业的不润湿

不润湿通常是由于焊剂缺乏活性。该现象在水清洗类型的焊膏中很少发生，因为这些焊 膏已被高度激活。ROLO 类的低活性焊膏、卤化物免清洗焊膏在难焊接的精修面如裸铜OSP 或Ni —Au 上倾向于产生这种问题。

无铅焊接减少或预防不润湿的途径有：选择具有优良活性的焊膏或更具活性的钎料；可能保证欲联接的金属无氧化；减少预热时间或降低其温度以保持焊剂的活性；如果焊剂的 活性好，增加液相线(2l7℃) 之上的保温时间。 [5]

3 无铅焊接材料的发展趋势

国内外一些焊接技术研究部门已经对主流无铅焊料的性能进行了比较，但目前对无铅焊料生命周期内对环境的影响还是没有进行系统化研究。虽然无铅焊料的使用减少了铅的毒害性，也减少了锡、铅两种不可再生资源的使用，但无铅替代焊料的使用同样也会增加替代金属的资源耗竭负荷。由于无铅焊料的熔点普遍高于锡铅焊料，在无铅焊料的生产和使用过程中，工艺温度较高必将造成能耗高于锡铅焊料的现象，同时还会产生更多的污染物排放[7]。2005年5月在美国新奥尔良举行的“国际电气电子工程师学会电器与环境国际研讨会暨国际电子回收利用峰会”上，来自马里兰(Maryland)的Maria Leet Socolof报道了由美国环境保护署(EPA)和美国电子工业联合资助进行的含铅和两种无铅替代焊料的使用过程的生命周期评价结果。通过考察锡铅、锡银铜和锡铜焊料在波峰焊中的16个不同的环境条目，得出无铅焊料在4个方面的影响值低于传统锡铅焊料，而另5个方面却高于传统锡铅焊料。中国电子科技集团公司第二研究所梁鸿卿编译了对无铅焊料影响环境的评价，就焊料制造时所消耗的能量进行评价得出锡银铜系焊料比传统锡铅焊料高113％。

此外，无铅焊料使用的合金化元素有很多储量少于铅，这也在一定程度上减少了无铅焊料替代的有效性。针对当前锡铅焊料对资源、环境的严峻影响，通过对锡铅焊料和目前使用比较普遍的几类无铅焊料的分析，就其生产、使用过程中两类焊料的资源、能源的投入和各种污染物的排放情况展开生命周期评价，使焊料的生产、使用建立在资源、能源量化的基础上，从而诊断焊料生产、使用中涉及到的资源、环境问题，在改善焊料各方面特性的同时寻求改善与焊料生产、使用相关的环境问题的途径[8]。

4 结语[9]

1．无铅焊接理论与实践均属于锡焊技术的领域，在从有铅转向无铅的过程中，无铅焊料的标准体系确定锡银铜目前已成共识。但其熔点仍偏高，对锡银铋铟以及锡铋、锡锌焊料的研究将成为人们关注的热点和方向。

2．由于无铅焊接液相温度与峰值温度温差范围较有铅温差范围小，因此温度管理成为无铅焊接中的重要内容。

3．由于无铅焊料熔点较高，将对元器件、印制板特性带来更高的要求。

4．由于无铅化是一个长期的过程，目前仍处于与有铅共存时期，这个过渡时期的铅污染问题，是较难解决的棘手问题。

5．由于无铅与有铅的共存而产生的焊点剥离问题是无铅化过程中的最大难点。无铅化是一个长期的过程，必须对锡焊技术理论有较深的理解并学习国内外的先进经验，才能加速无

铅化进程。在这一过程中，实践将是检验和实施无铅化锡焊技术的唯一标准。

尽管无铅钎料的研究还存在很多问题，电子组装无铅化的进程却正在加快。在保证电子产品可靠性的前提下，人们则开始更加关注无铅钎料以及配套助焊剂的成分改进及无铅焊料对于环境造成的影响。

参考文献：

[1]王磊. 无铅焊锡开发研究的动向[J].材料与冶金学报,2002,1(1):9-14.

[2]林尚扬. 我国焊接材料生产现状分析

[3]白蓉生. 无铅焊接的问题与对策. 印制电路资讯，2006年11月第06期

[4]东建中. 无铅焊锡的成分筛选及其粉材的制造工艺.

[5]顾霭云. 从有铅向无铅焊接过渡阶段问题分析.

[6] 易丹青, 王颖, 卢斌, 杜若听.Sn-Ag 基无铅焊料的研究与发展[J].四川有色金属,2001,(3):5-10

[7]孟桂萍.Sn-Ag 和Sn-Zn 及Sn-B i系无铝焊[J].电子工艺技术,2002,23(2):75-76.

[8] 史耀武, 夏志东, 刘建平, 等. 绿色无铅焊料在电器制造中的应用[J].电器制造商,2002,(10):60-63.

[9]四川省SMT 专业委员会. 无铅焊接技术．