无铅焊料的研究状况
<p class="f14" style="LINE-HEIGHT: 190%;">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投入了相当的力量开展无铅焊料的研究。国内外己有的研究成果表明，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Ag、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。目前最见的无铅焊料主要是以Sn-Ag、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。如果单纯考虑可能性，能替代Sn/Pb共晶焊料的无铅料很多，如下表所示。 </p><div><b>无铅焊料合金的融点和成本比较</b></div><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="1"><tbody><tr><td width="205"><div align="center">合金名</div></td><td width="190"><div align="center">融点</div></td><td width="190"><div>成本</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-37Pb</div></td><td width="190"><div align="center">183</div></td><td width="190"><div>1.0</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-58Bi</div></td><td width="190"><div align="center">138</div></td><td width="190"><div>1.4</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-20In-2.8Ag</div></td><td width="190"><div align="center">179-189</div></td><td width="190"><div>7.6</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-10Bi-5Zn</div></td><td width="190"><div align="center">168-190</div></td><td width="190"><div>1.2</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-9Zn</div></td><td width="190"><div align="center">198</div></td><td width="190"><div>1.2</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-3.5Ag-4.8Bi</div></td><td width="190"><div align="center">205-210</div></td><td width="190"><div>2.4</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu</div></td><td width="190"><div align="center">213-218</div></td><td width="190"><div>1.8</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-3.5Ag-0.5Cu</div></td><td width="190"><div align="center">217-218</div></td><td width="190"><div>2.0</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-3.5Ag-1.5In</div></td><td width="190"><div align="center">218</div></td><td width="190"><div>2.4</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb</div></td><td width="190"><div align="center">213-218</div></td><td width="190"><div>1.8</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-3.5Ag</div></td><td width="190"><div align="center">221</div></td><td width="190"><div>2.0</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-2Ag</div></td><td width="190"><div align="center">221-226</div></td><td width="190"><div>1.8</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-0.7Cu</div></td><td width="190"><div align="center">227</div></td><td width="190"><div>1.2</div></td></tr><tr><td width="205"><div align="center">Sn-5Sb</div></td><td width="190"><div align="center">232-240</div></td><td width="190"><div>1.2</div></td></tr></tbody></table></div><div> </div><div>综观Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi三个体系元铅焊料，与Sn-Pb共晶焊料相比，各有优缺点。Sn-Ag系焊料，具有优良的机械性能，拉伸强度、蠕变特性及耐热化性都比Sn-Pb共晶焊料优越，延展性比Sn-Pb共晶焊料稍差，但不存在延展性随时间加长而劣化的问题。Sn-Ag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-Ag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-Ag(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，目前虽然己开发出许多要以替代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。</div><div>为了实现保护环境和提高产品质量的目的，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：</div><div>(1) 其全球储量足够满足市场需求。某些元素，如铟和铋，储量较小，因此只能作为无铅焊料的添加成分；</div><div>(2) 无毒性。某些在考虑范围内的替代元素，如镉、碲，是有毒的。而某些元素，如锑，如果改变毒性标准的话，也可以认为是有毒的；</div><div>(3) 能被加工成需要的所有形式，包括用于修补的wire；用于焊料膏的powder；用于波峰焊的bar等。不是所有的合金能够被加工成所有形式，如铋的含量增加将导致合金变脆而不能拉拔成丝状；</div><div>(4) 替代合金也可以再循环利用。如果无铅焊料中包含3到4种金属元素将使再循环工艺复杂化并增加成本。</div><div align="left">(5) 相变温度(固/液相线温度)与Sn-Pb焊料相近；</div><div>(6) 合适的物理性能，特别是电导率、热导率、热膨胀系数；</div><div>(7) 与现有元件基板/引线及PCB材料在金属学性能上兼容；</div><div>(8) 足够的力学性能：剪切强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性；</div><div>(9) 良好的润湿性；</div><div>(10) 可接受的成本价格</div><div> </div><div>这是研制开发无铅焊料的方向，要做到满足以上十点要求，有一定的难度。另外，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，还必须从系统工程的角度来解析和研究以下几个方面的问题：</div><div>1.元件：目前己用于电子组装的无铅焊料，溶点一般要比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。</div><div>2.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。</div><div>3.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。</div><div>4.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<sub>2</sub>）保护焊技术是必要的。</div><div>5.废料回收：从含Ag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-Ag合金是一个新课题。</div><div align="left"><b>目前，还没有统一的关于铅包含的不纯度的无铅焊料的世界标准，但各个电子协会给出了自己的标准：</b></div><div align="left"><b>JEDEC( </b><b>EU End of Life Vehicles Directive)</b><b>< 0.2wt%Pb</b><b></b></div><div align="left"><b>JEIDA (</b><b>日本电子工业发展协会</b><b>)</b><b>< 0.1wt%Pb</b></div><div align="left"><b>EUELVD(</b><b>日本电子设备工程联合会</b><b>)</b><b>< 0.1wt%Pb</b></div><div align="left"><b></b> </div><div>6.实用化的无铅焊料</div><div align="left"> </div><div align="left"><b></b> </div><div align="left"><b>1)实用化焊料通常按熔点范围作如下分类：</b></div><div align="left"><b></b> </div><div align="left">(1)低熔点温度（低于180℃）</div><div align="left">(2)熔化温度等同于锡铅易溶温度(180-200OC)</div><div>(3)适中的溶解温度(200-230OC)</div><div>(4)高温焊料(230-350OC)</div><div align="left">表格1 低温无铅焊料的例子（溶解度低于180OC）</div><div align="left"><img src="http://www.wuqw.com/oledit/UploadFile/20069/200692720198668.jpg" border="0" alt=""/></div><div align="left"> </div><div align="left">表格2：无铅焊料溶解度在180-200OC的例子</div><div align="left"><img src="http://www.wuqw.com/oledit/UploadFile/20069/200692720199433.jpg" border="0" alt=""/></div><div align="left"> </div><div align="left">表格3：无铅焊料熔点在200-230OC之间的例子</div><div align="left"><img src="http://www.wuqw.com/oledit/UploadFile/20069/2006927201913931.jpg" border="0" alt=""/></div><div align="left"> </div><div align="left">表格4：</div><div align="left">无铅焊料熔点高于230 oC的例子</div><div align="left"><img src="http://www.wuqw.com/oledit/UploadFile/20069/2006927201916568.jpg" border="0" alt=""/></div><div align="left"><b></b> </div><div align="left"><b>2)</b><b> 典型无铅焊料的物理性能比较</b><b> </b><b>：</b><b></b></div><div align="center"><table height="380" cellspacing="0" cellpadding="0" width="500" border="1"><tbody><tr><td width="137"><div class="style14" align="center">性能</div></td><td width="232"><div class="style14" align="center">Sn96.5Ag3.5</div></td><td width="170"><h1 class="style14">Sn99.3Cu0.7</h1></td><td width="124"><h1 class="style14">SnAgCu</h1></td><td width="56"><h1 class="style14">Sn63Pb37</h1></td></tr><tr><td><div class="style14" align="center">熔点（共晶点）</div></td><td><div class="style14" align="center">221</div></td><td><div class="style14" align="center">227</div></td><td><div class="style14" align="center">217</div></td><td><div class="style14" align="center">183</div></td></tr><tr><td valign="top"><div class="style14">表面张力（dyne/cm）</div><div class="style14" align="left"> </div></td><td valign="top"><div class="style14">460（260℃）；431（271℃，air）493（271℃，N2）</div></td><td valign="top"><div class="style14">491（277℃，air）461（277℃，N2）</div></td><td valign="top"><div class="style14">510(2.5Ag0.8Cu0.5Sb)</div><div class="style14" align="left"> </div></td><td valign="top"><div class="style14">380（260℃）；417（233℃，air）446（233℃，N2）</div></td></tr><tr><td><div class="style14" align="center">密度</div></td><td><div class="style14" align="center">7.36</div></td><td><div class="style14" align="center">7.31</div></td><td><div class="style14" align="center">7.4～7.5</div></td><td><div class="style14" align="center">8.36</div></td></tr><tr><td><div class="style14" align="center">电阻率</div></td><td><div class="style14" align="center">10.8</div></td><td><div class="style14" align="center">10－15</div></td><td><div class="style14" align="center">10～15（13）</div></td><td><div class="style14" align="center">15.0</div></td></tr><tr><td><div class="style14" align="center">热导率</div></td><td><div class="style14" align="center">0.33（85℃）</div></td><td><div class="style14" align="center">——</div></td><td><div class="style14" align="center">——</div></td><td><div class="style14" align="center">0.50(85)</div></td></tr><tr><td><div class="style14">CTE ppm/K,20℃)</div></td><td><div class="style14" align="center">30</div></td><td><div class="style14" align="center">——</div></td><td><div class="style14" align="center">15（3Ag4Cu）</div></td><td><div class="style14" align="center">25</div></td></tr><tr><td valign="top"><div class="style15" align="left">延展性率（％）</div></td><td><div class="style15" align="center">39</div></td><td><div class="style15" align="center">45</div></td><td><div class="style15" align="center">36.5（3.1Ag1.5Cu）</div></td><td><div class="style15" align="center">31</div></td></tr><tr><td valign="top"><div class="style15" align="left">可靠性（疲劳寿命）ref.53</div></td><td><div class="style15" align="center">1</div></td><td><div class="style15" align="center">2</div></td><td><div class="style15" align="center">～1</div></td><td><div class="style15" align="center">3</div></td></tr><tr><td valign="top"><div class="style15" align="left">剪切强度（Mna）</div></td><td><div class="style15" align="center">27</div></td><td><div class="style15" align="center">20～23</div></td><td><div class="style15" align="center">27</div></td><td><div class="style15" align="center">23</div></td></tr></tbody></table></div><div align="left"> </div><div align="left"> </div><div align="left"> </div><div align="left"> </div><div align="left"> </div><div align="left"><b>3)</b><b>典型的无铅焊料应用:</b><b></b></div><div align="left"> </div><div align="left"> </div><p><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="1"><tbody><tr><td width="131"><div align="center">焊接工艺</div></td><td width="131"><div align="center">型号</div></td><td width="154"><div align="center">合金组成</div></td><td width="120"><div align="center">熔点</div></td><td width="122"><div align="center">备注</div></td></tr><tr><td width="131"><div align="center">再流焊</div></td><td valign="top" width="131"><div>SN96</div><div>SNCI*<sup>2</sup></div><div>SN97C<sup>*3</sup></div><div>LF-C<sup>*4</sup></div><div>LFSA</div><div>LF-A</div></td><td valign="top" width="154"><div>Sn-3.5Ag (共晶)</div><div>Sn-3.8Ag-1Cu(共晶)</div><div>Sn-3.0Ag-0.5Cu</div><div>Sn-3.5Ag-3Bi-1Cu</div><div>Sn-3.5Ag-3In-0.5Bi</div><div>Sn-9Zn</div></td><td valign="top" width="120"><div>221E</div><div>217E</div><div>208~219</div><div>208~213</div><div>214(三井)</div><div align="left">199E</div></td><td valign="top" width="122"><div align="left"> </div></td></tr><tr><td width="131"><div align="center">波峰焊</div></td><td valign="top" width="131"><div>SN100C<sup>*1</sup></div><div>SN96CI<sup>*2</sup><sup></sup></div><div align="left">SN97C<sup>*3</sup></div></td><td valign="top" width="154"><div>Sn-0.7Cu<sub>+</sub>Ni</div><div>Sn-3.8Ag-1Cu(共晶)</div><div align="left">Sn-3.0Ag-0.5Cu</div></td><td valign="top" width="120"><div>227E</div><div>217E</div><div align="left">218～219</div></td><td valign="top" width="122"><div align="left"> </div></td></tr><tr><td width="131"><div align="center">手工焊</div></td><td width="526" colspan="4"><div align="center">SN97C<sup>*3 </sup>Sn-3.0Ag-0.5Cu</div></td></tr></tbody></table></p><div align="left"> </div><div align="left">a) 回流焊选用的无铅焊料体系:</div><div align="left"><img src="http://www.wuqw.com/oledit/UploadFile/20069/2006927201920649.jpg" border="0" alt=""/></div><div align="left"> </div><div align="left">b) 波峰焊选用的无铅焊料体系:</div><div align="left"><img src="http://www.wuqw.com/oledit/UploadFile/20069/2006927201921158.jpg" border="0" alt=""/></div><div align="left"> </div><a href="http://www.pcbbbs.com/viewthread.php?tid=120085"></a> <p>学习楼主的文件</p> 拜读！
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