《无铅焊的研究现状与发展趋势解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无铅焊的研究现状与发展趋势解析.docx（8页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、无铅焊的研究现状与发展趋势姓名 学号 教师 摘要在电子元器件的焊接中，焊料占据很重要的位置，锡铅合金是性能最好的焊接材料也是最廉价的，焊 接质量和焊接可靠性都是满足需求的。但随着环保意识的增强和认识到铅对人类的危害，无铅焊走进了人 类的视野。绿色环保的电子器件成为了人们的追求，成为世界主流。无铅焊的研究现状与发展趋势更值得 我们关注，无铅焊的路还是很长的，有很多可以突破的难题摆在前方，等待学者去研究去超越。实现电子 制造的全面无铅化，以减少环境污染，提升绿色制造竞争能力， 以适应国内外市场对绿色电子产品的需求, 是我国电子制造业以后势在必行的举措。关键词：无铅焊；绿色环保1铅对人类的危害铅是一
2、种对人体危害极大的有毒重金属，铅与铅的化合物进入机体后会对人的神 经、血液循环、内分泌等多个系统造成危害，若含量过高便会引起铅中毒。铅被广泛使用于 各个行业，铅对环境的污染越来越重。通过食物、饮用水、空气等方式影响人类健康。 金属铅进入人体后，少部分会随着身体代谢排出体外，其余大量则会在体内沉积。lead-free对于成年人，铅的入侵会破坏神经系统，消化系统， 男性生殖系统且影响骨骼的造血功能，进而人出现头晕、乏 力、眩晕、困倦、失眠、贫血、免疫力低下、腹痛、便秘、 肢体酸痛、肌肉关节前、月经不调等症状。有的口中有金属 味，动脉硬化、消化道溃疡和眼底出血等症状也与铅污染有 关。对于儿童，由于大
3、脑正在发育，神经系统处于敏感期, 在同样的铅环境下吸入量比成人高出好几倍，受害极为严重，因此小孩铅中毒则会出现发育迟缓、食欲不振、行走不便和便秘、失眠；还有的伴有多动、 听觉障碍、注意不集中和智力低下等现象。严重者造成脑组织损伤，可能导致终身残废。铅进入孕妇体内则会通过胎盘屏障，影响胎儿发育，造成畸形，流产或死胎等。因此无铅焊的发展是必然的。2无铅焊的发展进程1991和1993年：美国参议院提出将电子焊料中铅含量控制在0.1%以下的要求，遭到美国工业界强烈反对而夭折；1991年起NEMI, NCMS, NIST, DIT, NPL, PCIF, ITRI, JIEP 等组织相继开展无铅焊料的
4、专题研究，耗资超过2000万美元，目前仍在继续；1998年日本修订家用电子产品再生法，驱使企业界开发无铅电子产品；1998年10月日本松夏公司第一款批量生产的无铅电子产品问世；2000年6月：美国IPC Lead-Free Roadmap第4版发表，建议美国企业界于 2001年推 出无铅化电子产品，2004年实现全面无铅化；2000年8月：日本JEITA Lead-Free Roadmap1.3版发表，建议日本企业界于 2003年 实现标准化无铅电子组装；2000年8月欧盟Lead-FreeRoadmap1.0版发表，根据问卷调查结果向业界提供关于无铅化的重要统计资料；欧盟议会和欧盟理事会20
5、03年1月23日发布了第2002/95/EC号关于在电气电子设备 中限制使用某些有害物质的指令，在这个指令中，欧盟明确规定了六种有害物质为：“汞提议自2006（H、镉（Cd）、六彳/T铭（Cr）、铅（Pb）、聚澳联苯（PBB、聚澳二苯醴（PBDE ” ； 并强制要求自2006年7月1日起，在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅的电子产品；（个 别类型电子产品暂时除外）2003年3月，中国信息产业部拟定电子信息产品生产污染防治管理办法 年7月1日起投放市场的国家重点监管目录内的电子信息产品不能含有铅、镉、汞、六价铭、 聚合澳化联苯或聚合澳化联苯乙醴等。无铅化组装已成为电子组装产业的不可逆转的趋势3
6、焊锡的种类按铅含量不同分为：1 .有铅焊锡：由锡（融点232度）和铅（熔点327度）组成的合金。其中由锡63%和铅 37%组成的焊锡被称为共品焊锡，这种焊锡的熔点是183度。2 .无铅焊锡：为适应欧盟环保要求提出的 rohs标准。焊锡由锡铜合金做成。其中铅含量 为1000Ppm以下。按焊锡使用方式不同可分为：1.锡线：标准焊接作业时使用的线状焊锡被称为松香入焊锡或线状焊锡。在焊锡中加入的助焊剂是由松香和少量的活性剂组成。注：O一一适用；X不适用。无铅焊锡熔点温度范围名称成分熔点sn cu 系列 sn 0.75cu 227 Csn ag 系列 sn 3.5ag 221 Csn ag cu 系列
7、sn 3.5ag 0.75cu 217 C 219 csn 3.0ag 0.7cu 217 C 219 csn 3.0ag 0.5cu 217 C 219 c无铅焊锡及其问题上锡能力差无铅焊锡的焊锡扩散性差，扩散面积差不多是共晶焊锡的1/3熔点高无铅焊锡的熔点比一般的sn-pb共晶焊锡高大约3444度，这样电烙铁烙铁头的温度设定 也要比较高。 烙铁头的使用寿命变短烙铁头的氧化在使用无铅焊锡时，有时会造成烙铁头表面黑色化，失去上锡能力而导致焊接作业中止。 烙铁头温度设定在400度的时候 没有焊接作业，电烙铁通电的状态长时间的放置。 烙铁头不清洗。等等时，氧化的情况比较容易出现。无铅焊锡使用时的注
8、意点烙铁头的温度管理非常重要有温度调节的电烙铁，根据使用的焊锡，选择最合适的烙铁头温度设定非常重要。工作以前，用烙铁头测温计先测定烙铁头的温度很重要。 使用与厂家（例白光工具）配套的正宗烙铁头假冒烙铁头，孔径（放入发热芯）有大有小，套管的厚度也各有差异这些都造成电烙铁的 性能不能发挥，有时会造成电烙铁故障的原因。 使用热回复性等热性能好的电烙铁在使用无铅焊锡进行焊接作业时，由于对零件的耐热性，安全作业的考虑，烙铁头的设定 温度一般希望在350度370度以下。近几年来有关无铅焊料的研究工作发展很快，世界上各大著名公司、国家实验室和研究 院所都投入了相当的力量开展无铅焊料的研究。国内外的已有的研究
9、成果表明，最有可能替 代Sn/Pb焊料的无毒合金是Sn基合金。无铅焊料主要以Sn为主，添加A g 、Zn 、Cu、 SB Bi 、In等金属元素。通过焊料合金化来改善合金性能，提高可焊性。由于Sn In系合金蠕变性差，In极易氧化，且成本太高；Sn-Sb系合金润湿性差，Sb还稍具毒性，这两 种合金体系的开发和应用较少。实际上二元系合金要做成为能满足各种特性的基本材料是不 完善的，目前最常见的无铅焊料主要是以 Sn-A g 、Sn-Zn、Sn- Bi为基体，在其中添加 适量的其它金属元素所组成的三元合金和多元合金。如果单纯考虑可焊性，能替代Sn/Pb共 品焊料的无铅焊料很多，如下表所示。表【X类
10、济导耳性度表湍二沿度生4晦专r mHSil- J3 RM的Sn El%研Si- * 吴%f Si / 3,5共品2211国里.国性、幅融桎题也强劳净令保朝用 的性大l：H 页同以小522?230-Mt容性好，上宜，但熔点苟.愧报性差Su累(几一共一)3血圃虞*1!住，财*弁.可考性、相心性静，极 寸能成为园强用依维设Sn- $/比=口累rs-aisr好的二鼠度和强行配塔彘于WtiFUM *)HFWIq奥印耳心厚时%-由一技栗41Kl.，/1 工拈147-1061：可靠生、可艮住，/中件“(学性好海门学近丽-岫井岳博耳综观SnAg 、SnZn、SnBi三个体系无铅焊料，与SnPb共晶焊料相比，各
11、有优缺点。Sn A g系焊料，具有优良的机械性能，拉伸强度，蠕变特性及耐热老化性都比Sn Pb共晶焊料优越，延展性比Sn/Pb共晶焊料稍差，但不存延展性随时间加长而劣化的问题。Sn-A g系焊料，熔点偏高，通常比Sn Pb共晶焊料要高3040C,润湿性差，而且成本高。 熔点和成本是SnA g系焊料存在的主要问题。Sn Zn系焊料，机械性能好，拉伸强度比 Sn 一 Pb共晶焊料好，与Sn-Pb焊料一样，可以拉制成线材使用；具有良好的蠕变特性，变形 速度慢，至断裂的时间长。该体系最大的缺点是 Zn极易氧化，润湿性和稳定性差，且具有腐 蚀性。Sn-Bi系焊料，实际上是以Sn-Ag (Cu)系合金为基
12、体，添加适量的 Bi组成的焊料 合金，合金的最大的优点是降低了熔点，使其与 Sn-Pb共晶焊料相近；蠕变特性好，并增大 了合金的拉伸强度，但延展性变坏，变得硬而脆，加工性差，不能加工成线材使用。总之， 目前虽然已开发出许多可以替代 Sn-Pb合金的焊料，但尚未开发出一种完全能替代Sn/Pb合金的高性能低成本的无铅焊料。为了实现保护环境和提高产品质量为目的，并考虑电子组装工艺条件的要求，无铅焊料 应满足以下条件：熔点低，合金共晶温度近似于Sn63/Pb37的共晶温度183C ,大致在180c 220c之间；无毒或毒性很低，所选用的材料现在和将来都不会污染环境；热传导率和导电率 要与Sn63 /P
13、b37的共晶焊料相当；具有良好的润湿性；机械性能良好，焊点要有足够的机 械强度和抗热老化性能；要与现有的焊接设备和工艺兼容，可在不更新设备不改变现行工艺 的条件下进行焊接；与目前使用的助焊剂兼容；焊接后对各焊点检修容易；成本要低，所选 用的材料能保证充分供应。这是研制开发无铅焊料的方向，要做到满足以上要求，有一定的难度，因此，对性能、 成本均理想的绿色焊料的研制已成为研究的热点电子组装焊接是一个系统工程，对无铅焊接技术的应用，其影响因素很多，要使无铅焊 接技术获得广泛应用，还必从系统工程的角度来解析和研究以下几个方面的问题：元件：目前开发已用于电子组装用的无铅焊料， 熔点一般要比Sn63 /P
14、b37的共晶焊料 高，所以要求元件耐高温，而且要求元件也无铅化，即元件内部连接和引出端（线）也要采 用无铅焊料和无铅镀层。PCB要求PCB的基础材料耐更高温度，焊接后不变形，表面镀覆的无铅共晶合金材料 与组装焊接用无铅焊料兼容，而且要考虑低成本。助焊剂：要开发新型的氧化还原能力更强和润湿性更好的助焊剂，以满足无铅焊料焊接 的要求。助焊剂要与焊接预热温度和焊接温度相匹配，而且要满足环保的要求。迄今为止， 实际测试证明免清洗助焊剂用于无铅焊料焊接更好。焊接设备：要适应新的焊接温度的要求，预热区的加长或更换新的加热元件、波峰焊焊 槽，机械结构和传动装置都要适应新的要求，锡锅的结构材料与焊料的一致性（
15、兼容性）要 匹配。为了提高焊接质量和减少焊料的氧化，采用新的行之有效的抑制焊料氧化技术和采用 隋性气体（例如N 2）保护焊技术是必要的。废料回收：从含A g的Sn基无铅无毒的绿色焊料中分离 Bi和Cu将是非常困难的，如何 回收Sn-A g合金又是一个新课题。所以，无铅焊料的实用化进程是否顺利，与焊接设备制 造商、焊料制造商、助焊剂制造商和元器件制造商四者间的协调作用有很大关系，其中只要 有一方配合不好，就会对推广应用无铅焊料产生障碍。目前，焊接设备制造商已经开始行动， 正在推出或即将推出适应无铅焊料焊接的回流焊炉。止匕外，采用无铅焊料替代Sn/Pb焊料在解决污染的同时，可能会出现一系列新的问题
16、。 例如Sn/Pb系列焊料中，Sn与Pb对H、Cl等元素的超电势都比较高，而无铅焊料中 A g、 Zn、Cu等元素对H Cl的超电势都很低，由于超电势的降低而易引起焊接区残留的H、Cl离子迁移产生的电极反应，从而会引起集成电路元件短路。4无铅焊接的技术难点无铅化焊接，包括波峰焊和回流焊。需要解决的技术问题是焊料和焊接两个基本问题。1）焊料目前电子行业使用的焊料通常是 63%勺锡和37%勺铅组成的，这种合金焊料共晶熔点低， 只有183C；铅能降低焊料表面张力，便于润湿焊接面；成本低。无铅焊料是由哪些成分组成的呢？目前，国际上并无无铅焊料的统一标准。通常是以锡为基体，添加少量的铜、银、钿、锌或钿等
17、组成。例如：美国推荐的锡、4%艮、0.5%t同的焊料，日本推荐的锡、3.2%银、0.6%t同的焊料。应该指出，这些焊料中并不是一点铅都没有， 通常规定其含量小于0.1%。使用无铅焊料带来的问题：熔点高（260c以上），润湿差，成本高。2）焊接由于焊料的成分和性能发生了变化，焊接过程中也出现了新的问题：由于成分不同而出现焊料的熔点及性能不同，焊接温度和设备的控制变得比铅锡焊料复 杂；熔点的提高对设备和被焊接的元器件的耐热要求随之提高，对波峰炉材料、回流焊温区 设置提出了新的要求；对被焊接的元器件如 LED塑料件、PCB提出了新的耐高温问题；由 于无铅焊润湿性差，要求采用新的助焊剂和新的焊接设备，
18、才能达到焊接效果。要提高助焊 剂的活性，延长预热区等措施；由于新焊料的成本较高，须设法减少焊料损耗，采用充氮工 艺等。3）助焊剂助焊剂为满足无铅焊料焊接的要求，需要开发新型的氧化还原能力更强和润湿性更好的 助焊剂。新开发的助焊剂要与焊接预热温度和焊接温度相匹配，而且要满足环保的要求。迄 今为止，实际测试证明，免清洗助焊剂用于无铅焊料焊接效果更好。工艺温度在无铅回流焊接中，无铅焊锡影响工艺温度，因此影响到加热温度曲线。为 了以较低的维护停机时间保持机器的清洁，需要一个适当的助焊剂流动管理系统。冷却系统 无铅焊接中推荐一个受控的冷却系统，因为一旦炉子具有适当的冷却能力， 液化以上的时间，晶粒结构和
19、板子出来的温度都可以界定自然需要更多的室温风扇。而推荐使用的是一个高级 的直接空气、完全集成的、排热系统。这个系统设计用于以较低的氮气消耗提供良好的冷却。助焊剂的选择由于较高的工艺温度，无铅焊接要求与含铅焊锡不同的助焊剂。助焊 剂类型决定哪一种预热配置最适合干该工艺。选择一种具有快速变换配置灵活性的波峰焊接 机器。预热模块应该容易交换，以找到对每个个别工艺的最佳安排。焊脚和空洞在无铅焊接 中，会发生一些特别的缺陷，诸如焊脚开起。焊脚开起的主要原因是合金化合物、铜焊盘、 板厚度与材料的温度膨胀系数的不匹配。5无铅焊接技术的工艺特点 电子产品制造业实施无铅化制程需面临以下问题；焊料的无铅化；元器件
20、及PCB的无铅化； 焊接设备的无铅化、焊料的无铅化。 到目前为止，全世界已报道的无铅焊料成分有近百种， 但真正被行业认可并被普遍采 用是Sn-Ag-Cu三元合金，也有采用多元合金，添加 In, Bi, Zn等成分。现阶段国际上是多 种无铅合金焊料共存的局面，给电子产品制造业带来成本的增加，出现不同的客户要求不同 的焊料及不同的工艺，未来的发展趋势将趋向于统一的合金焊料。 熔点高，比Sn-Pb高约30度； 延展性有所下降，但不存在长期劣化问题；焊接时间一般为4秒左右；拉伸强度初期强度和后期强度都比 Sn-Pb共晶优越；耐疲劳性强；对助焊剂的热稳定性要求更高； 高Sn含量，高温下对Fe有很强的溶解
21、性。6发展趋势我国已成为电子组装业的大国，随着全球经济一体化和我国进入WTO,禁铅令对我国电子工业形成强大冲击，主要表现在印刷电路板、IC封装、电机、电子半导体、电讯、家电产业、光学仪器等诸多领域，若不尽快开发应用新型环保焊接材料，将直接影响电子产品 出口和人居环境的改善。目前我们在无铅焊膏的开发应用方面还相当落后，面临日本和欧洲 的含铅焊锡禁用政策和国际环保政策，对无铅焊膏的开发应用不仅势在必行，还必须加大开 发力度，尽快跨入无铅技术领域，各相关产业在制作工艺上必须相互配合，共同促进其发展。参考文献：1曹白杨.现代电子产品工艺.北京：电子工业出版社，2012.122龙绪明.先进电子制造技术.北京：机械工业出版社，2010.83王明娜，王俭秋.4张厚泼.科学与财富-2014