无铅焊料研发及应用

焊料从发明到使用，已有几千年的历史。Sn／Pb焊料以其优异的性能和低廉的成本，一直得到人们的重用，现已成为电子组装焊接中的主要焊接材料。但是，铅及其化合物属于有毒物质，长期使用会给人类生活环境和安全带来较大的危害。从保护地球村环境和人类的安全出发，限制使用甚至禁止使用有铅焊料的呼声越来越强烈，这种具有悠久应用历史的Sn／Pb焊料，将逐渐被新的绿色焊料所替代，在进入二十一世纪时，这将成为可能。　　
　　人体通过呼吸，进食，皮肤吸收等都有可能吸收铅或其化合物，铅被人体器官摄取后，将抑制蛋白质的正常合成功能，危害人体中枢神经，造成精神混乱、呆滞、生殖功能障碍、贫血、高血压等慢性疾病。铅对儿童的危害更大，会影响智商和正常发育。　　
　　电子工业中大量使用的Sn／Pb合金焊料是造成污染的重要来源之一，在制造和使用Sn／Pb焊料的过程中，由于熔化温度较高，有大量的铅蒸气逸出，将直接严重影响操作人员的身体健康。波峰焊设备在工作中产生的大量的富铅焊料废渣，对人类生态环境污染极大。近年来有关地下水中铅的污染更引起人们的关注，除了废弃的蓄电池大量含铅外，丢弃的各种电子产品PCB上所含的铅也不容忽视。以美国为例，每年随电子产品丢弃的PCB约一亿块，按每块含Sn／Pb焊料10克，其中铅含量为40％计算，每年随PCB丢弃的铅量即为400吨。当下雨时这些铅变成溶于水的盐类，逐渐溶解污染水，特别是在遇酸雨时，雨中所含的硝酸和盐酸，更促使铅的溶解。对于饮用地下水的人们，随着时间的延长，铅在人体内的积累，就会引起铅中毒。
　　二十世纪九十年代初，由美国国会提出了关于铅的限制法案，并由工作小组着手进行无铅焊料的研究开发活动。目前，美国已在汽车、汽油、罐头、自来水管等生产和应用中禁止使用铅和含铅焊料。但该法案对电子工业产生的效能并不大，在电子产品中禁止使用含铅焊料进展缓慢。欧洲和日本等发达国家对焊料中限制铅的使用也很关注。对于居住环境意识较强的欧洲，欧盟于1998年通过法案，已明确从2004年1月1日起任何制品中不可使用含铅焊料，但因技术等方面的原因，在电子产品中完全禁止使用铅有可能推迟至2008年执行。在无铅焊料研究和应用方面，日本走得最快。为了适应市场的需要，扩大市场份额，日本提出了生产绿色产品的概念。松下电器、日立、NEC、富士通等各大公司纷纷降低了铅的使用，并制订了无铅化的进程计划，从2000年开始已在部分产品生产中使用无铅焊料。　　
　　此外，随着微细间距器件的发展，组装密度愈来愈高，焊点愈来愈小，而其所承载的力学、电学和热学负荷则愈来愈重，对可靠性要求日益提高，但传统的Sn／Pb合金的抗蠕变性差，不能满足近代电子工业对可靠性的要求。因此，无铅焊料的开发和应用，不仅对环境保护有利，而且还担负着提高电子产品质量的重要任务。
　　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共晶焊料的无铅焊料很多，如下表所示。　　
　　综观Sn—A g　、Sn—Zn、Sn—Bi三个体系无铅焊料，与Sn—Pb共晶焊料相比，各有优缺点。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30—40℃，润湿性差，而且成本高。熔点和成本是Sn—A 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—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—A g（Cu）系合金为基体，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183℃，大致在180℃～220℃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　／Pb37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　／Pb37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板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（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。　　
　　此外，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。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。　
　　　尽管当前无铅焊料的研究开发和应用正走向深入研究阶段，但根据世界各国的开发状况来看，要在短时间内研制出使用性能超过Sn—Pb共晶焊料的高性能的无铅焊料是一件困难的事情。全面考虑成本、性能的新型无铅焊料标准尚未制订，其测试方法和性能综合评定方法也有待于在继续的研制及应用过程中得以解决，还有许多工作要做。但是焊接材料的无铅、无毒化方向已定，没有别的选择，只有行动起来，投身到研究、开发、推广应用无铅焊料的行列中去，为推动我国无铅焊料的开发和应用，为地球村的环境保护作出应有的贡献。