关于无铅方面的要求和技术
<p class="f14" style="LINE-HEIGHT: 190%;">关键词：无铅工艺 电路板 pcb Keywords: 摘要：无铅合金的要求立法、法令和指令 合金 组件最后精加工 电路板终饰 助焊剂及焊锡膏注意事项 推荐 参考资料 凯斯特大学的无铅解决方案 无铅装配的常见问题 Abstract: 目录： 内容： 无铅解说 无铅合金的要求立法、法令和指令 合金 组件最后精加工 电路板终饰 助焊剂及焊锡膏注意事项 推荐 参考资料 凯斯特大学的无铅解决方案 无铅装配的常见问题 对适合的无铅合金的要求相对低成本。 相对无危害。 没有潜在环境问题；等级逐步下降。安全性的顺序为：铋 > 锌 > 铟 > 锡 < 铜 > 锑 > 银 > 铅。 能够对常见无铅元器件和线路板终饰材料进行熔湿。 合金必须结合现有焊剂技术和规定才能发挥作用。 能够形成可靠焊点，没有氧化物掺杂物，焊接孔隙极小。 与相对低温处理相容。 抗腐蚀且不易受电解腐蚀动因的影响。 与铜基板、带有浸金涂层的镍表面以及多种无铅基板和含铅基板相容。 合金必须具备的产品形式包括焊锡棒、焊锡线、预成型件、焊锡球以及焊锡膏。 合金制备中使用的金属必须有充足的数量。 低熔点 (< 240＆#176;C)。 良好的导电性。 良好的导热性。 易修复性。 适当的强度特性。 合金必须易于回收。 立法、法令和指令概要美国立法 法律已经禁止在油漆、汽车燃料、食品罐、汽车车体焊料、灯泡以及管道焊接和固定装置上使用铅。 铅仍被允许在电子产品焊料中使用：尽管如此，美国环保署已经要求美国相关产业减少危险材料的使用。铅目前已被列为危险材料。 电子产品中焊料的回收是能够做到的，但可能成为一项很大的成本。 境外团体不断施加压力，要求取消对铅的使用。NEMI 协会已经成立了一个无铅特别工作组，研究含铅合金的替代品。 NCMS 在 80 种考虑过的合金材料中找到了 3 种铅合金的可能替代品-没有非正式替代品 如果合金中铅含量 < 0.2% 则可认为是无铅的(目前尚没有正式定义) NEMI 在 APEX '00 上将 Sn 95.5Ag3.9Cu0.6 (＆#177;0.2%) 规定为其备选无铅合金的首选。 准备供北美公司使用，使其在 2004 年生产无铅产品。 于 2004 年在自发基础上全面消除含铅产品。 帮助修改无铅产品的产业标准。 若干州无铅问题的状况加利福尼亚 -最新有毒化学制品年度清单 康涅狄格 -对于收集某些可回收物品持一般许可态度 (2000 年早期) 佛罗里达 -某些达到使用寿命的电子产品的试行计划 新泽西 -电子产品回收试行计划 (3 和 6 等级分级) 南卡罗来纳 -提出关于全州范围内电子产品回收的法案 日本和欧洲 "国际无铅焊接路线图框架" 在 2002 年 11 月的无铅高峰会议上推出。 涉及欧洲 SOLDERTEC 和日本 JEITA (日本电子和信息技术产业协会) 建议： - 到 2004 年底，制造商应拥有无铅元器件的完整库存。 - 建议产业采纳在"无铅"产品中使用重量百分比不超过 0.1%的最大允许铅含量的标准。 关于欧盟 WEEE (废弃电气和电子设备) 和 RHS (限制废弃电气和电子设备中的危险物质) 指令的协议。 关于危险材料的 RHS 禁令已确认在 2006 年 7 月 1 日生效。该指令规定在该日期之后必须向欧洲消费者出售不含铅的产品。 除对铅的分阶段废止以外，RHS 还规定分阶段废止含以下材料的产品： - 镉 - 汞 - 六价铬 - 两种溴化阻燃物 建议制造商按以下时间表执行。路线图建议主要制造商应比时间表规定的期限提前一年时间，而其他制造商则可以晚两年达到这些要求。 元器件 - 自 2001 年末起应具备某些无铅元器件。 - 到 2003 年末应具备完整无铅端接的元器件系列产品。 - 到 2004 年末应具备完整无铅元器件系列产品。 组件： - 2002 年末开始制造无铅焊接组件。 - 到 2005 年末从产品中完全消除铅的使用。 路线图推荐了一种由锡-银-铜构成的线路板组件焊料合金 。路线图建议行业领先的业者 开发一种用于标注的系统。 无铅合金 美国国家电子制造 (NEMI) 协会建议将 SnAg3.9Cu0.6 合金用于表面安装回流焊接，SnCu0.7 用于波焊。日本电子信息技术产业协会 (JEITA) 无铅应用路线图建议将 SnAg3.0Cu0.5 用于回流焊接，并以 SnAg 和 SnZnBi 作为备选。JEITA 还建议将 SnAg3.0Cu0.5 用于波焊，并以 SnCu 作为备选。欧洲 IDEALS 协会将 SnAg3.8Cu0.7 用作回流焊接的首选，并将 SnAg3.8Cu0.7Sb0.25 作为波焊的首选。欧洲 SOLDERTEC 无铅应用路线图建议将 SnAg(3.4-4.1)Cu(0.45-0.9) 的合金配比范围用于回流和波焊。 SnAgCu 系列合金是目前世界各地选用的合金类型。经过证明，真正的共晶组成配比应在 SnAg(3.5-3.8)Cu(0.7-1) 的范围之内。NIST 曾将共晶组成配比定义为 SnAg3.5Cu0.9。 在日本，2/3 的公司将 SnAgCu 合金用于回流和波焊。对于表面安装回流应用，SnAg、SnZnBi、SnAgCuBi 以及 SnInAgBi 也有使用，但使用得较少。对于波焊应用，SnCu 和 SnAg 也使用得较少。约 3/4 的公司将 SnAgCu 合金用于手工焊接。在日本，采用的占主导地位的 SnAgCu 合金组成配比为 SnAg3.0Cu0.5，而且其他地方也越来越趋同这一趋势。 凯斯特公司是 ISURF SnAgCu(Bi) 专利 5,527,628、Senju-Matsushita SnAgCu(Bi) 专利3027441 和 Oatey SnAgBiCu 专利 4,879,096 的特许证持有人。 以下给出的是按照熔点排列的无铅合金参考列表。该列表并不是一个详尽的列表，也并不排除可能使用其他合金。 合金 熔点 ＆#176;C 说明 SnSb5 232-240 美国管道行业标准；具有良好的剪切强度以及抗热疲劳能力 SnCu2.0Sb0.8Ag0.2 219-235 Sn 232 SnCu0.7 227 用于波焊的常见低成本替代品 SnAg2.5Cu0.8Sb0.5 217-225 AIM 专利 SnAg4.0Cu0.5 217-224 * SnAg3.9Cu0.6 217-223 * NEMI 合金 SnAg3.5 221 SnAg2.5Bi1.0Cu0.5 214-221 SnAg3.0Cu0.5 217-220 * 日本占主导地位的合金 SnAg3.8Cu0.7 217-218 * SnAg3.5Cu0.7 217-218 * 常用 SnAg2.0Bi3.0Cu0.75 207-218 SnAg3.5Cu0.9 217 * NIST 确定为真正共晶 SnIn4.0Ag3.5Bi0.5 210-215 三井金属专利 SnAg3.4Bi4.8 201-215 SnBi7.5Ag2.0 191-216 SnIn8.0Ag3.5Bi0.5 197-208 Matsushita (松下) 专利 SnZn9 199 易于空气腐蚀及氧化 SnZn8Bi3 191-198 易于空气腐蚀及氧化 SnIn20Ag2.8 175-187 SnBi57Ag1 137-139 摩托罗拉专利 SnBi58 138 SnIn52 118 * 注 - 一般认为，所有这些 SnAgCu 合金的熔点为大约 217C，但每种合金公布的熔融温度范围各有不同；显示的熔融范围是依照 NIST 相图估计出来的；无论怎样，NIST 确定在 220C 时，这些合金中将会有 0.1% 的固态物质。 对照 Sn63Pb37* 的合金材料成本合金系列 相对成本比率：Sn63Pb37 = 1 SnInAg (Bi) 3.3-3.5 SnAgCu 2.9-3.3 SnAg 3.1 SnAgBi (Cu) 2.4-3.1 SnAgBi (Cu) 2.1-3.1 SnBi 1.7 SnCu 1.5 SnInAg (Bi) 1.4 * 注 -成本以金属市场价格为基准。 无铅合金的物理属性 SnAgCu (Bi) 合金 更高熔点无铅备选合金。SnAgCu 系列合金是电子行业标准，大多数情况下表现出与 SnPb 合金相同或更好的抗热循环疲劳特性。 比 SnPb 具有更高的表面张力，熔湿性也较差。 银可提供比铅更高的强度，但延展性较差。 铜降低了焊料的熔点。铜改善了抗热循环疲劳特性。铜改善了熔湿性。铜减缓了焊接时线路板上和元器件上的铜溶解到熔融焊料中的溶解速率。 铋降低了焊料的熔点。铋改善了熔湿性。在存在来自热空气焊剂涂匀 (HASL) 线路板或元器件的铅的情况下，铋可以大大降低抗热循环疲劳特性，这是由于 Sn16Pb32Bi52 (MP=95C) 的形成，它可以沿晶界扩散。 SnBi58 (Ag) 合金 低熔点无铅备选合金，可能适合某些消费电子产品的需要。低熔点的特性使其不适用于工作温度接近 138C 的应用。. 较高的铋含量比率可以大大降低焊料的熔点，但合金则较为脆弱。铋可以改善熔湿性能，但较高的氧化速率可抵消其效果。在存在来自热空气焊剂涂匀 (HASL) 线路板或元器件的铅的情况下，铋可以大大降低抗热循环疲劳特性，这是由于 Sn16Pb32Bi52 (MP=95C) 的形成，它可以沿晶界扩散。 少量银含量可以改善强度及抗热循环疲劳特性，假设铅不存在。 SnZn (Bi) 合金 中熔点无铅备选合金熔点只略高于 SnPb 合金。 锌使熔点降低。锌具有很高的氧化率，易受空气腐蚀。高氧化率使其不适合波焊。焊锡膏的模板寿命或保质期可因锌的反应性而降低。 铋使熔点进一步降低。Bi 可使熔湿性得到改善，并使抗腐蚀性略有改善。在存在来自热空气焊剂涂匀 (HASL) 线路板或元器件的铅的情况下，铋可以大大降低抗热循环疲劳特性，这是由于 Sn16Pb32Bi52 (MP=95C) 的形成，它可以沿晶界扩散。 SnInAgBi 合金 中熔点无铅备选合金，低于 SnAgCu。 银可使强度提高。 铟可使熔点降低。铟是一种延展性较好的材料。在存在来自热空气焊剂涂匀 (HASL) 线路板或元器件的铅的情况下，铟可形成一种在 114C 产生相变的三元化合物。 铋使熔点进一步降低，并可改善熔湿性。在存在来自热空气焊剂涂匀 (HASL) 线路板或元器件的铅的情况下，铋可以大大降低抗热循环疲劳特性，这是由于 Sn16Pb32Bi52 (MP=95C) 的形成，它可以沿晶界扩散。 使无铅焊接成为现实 焊锡膏、波焊液体焊剂、焊剂凝胶和焊锡线中使用的无铅焊剂今天已经成为现实。这些焊剂配系可以强化焊接工艺，其配方可提供出色的熔湿性能，并使无铅装配所需的化学热稳定性提高。 与锡铅合金一同使用的传统助焊剂对于防止无铅合金熔湿速度缓慢以及通常与无铅焊料伴随而来的较高温度则未必适用。专门用于无铅焊接的焊剂配系需要采用新的活化剂套件以及具有热稳定性的凝胶和熔湿制剂，以免出现焊料缺陷。 由于许多无铅合金熔湿速度较慢并具有较高的表面张力，选择适合无铅焊接的正确焊剂可以防止焊料缺陷的增加，并能对保持生产产出起到很大的帮助。 下面将对因转而采用无铅装配时可能增多的一般缺陷进行详细说明。通过选择正确的焊剂和工艺控制，这些缺陷都可以消除。 了解无铅问题 有关信息的网站 IPC 无铅论坛 www.leadfree.org PCIF www.pcif.org.uk NEMI www.nemi.org PCIF www.pcif.org.uk SOLDERTEC www.lead-free.org SMART GROUP www.smartgroup.org EPA www.epa.gov NRC www.nrc-recycle.org NEMI www.nemi.org NIST www.boulder.nist.gov/div853/lead%20free/solders.html NPL www.npl.co.uk/ei/iag/leadfree/index.html SMT IN FOCUS www.smtinfocus.com/leadfree.html CALCE www.calce.umd.edu/lead-free/ HDPUG www.hdpug.org JEITA www.jeita.or.jp/index.htm JIEP www.jiep.or.jp JWS www.soc.nii.ac.jp/jws/ 无铅应用常见问题解答 无铅装配带来一些工程问题。为更好地帮助您实施无铅工艺，本部分给出了工程师们最常问到的问题。 无铅装配的知识库正在迅速扩充。凯斯特公司相信，共享这些信息可以确保更加可靠和有效地过渡到无铅装配上来，同时保持生产产出，减少实施无铅装配所需要的时间。 问与答被分为若干部分，随着技术的成熟，这些内容也将不断增多。请经常查阅是否增加了新的信息。 焊料合金选择 是否存在一种标准无铅焊料合金？ 就如同使用含铅焊料合金一样，同样也存在几种看来最为常用的合金。焊料产品价值委员会 (SPVC) 是一个全球焊料制造商组织，它将 SnAg3.0Cu0.5 作为标准选用合金。SnAgCu 合金有多种变体，银成分范围为 3-4%，铜成分范围为 0.5-0.7%，但熔融温度只在 217-220＆#176;C 的范围内变化。 无铅焊料比锡-铅合金低很多的密度有什么优势吗？ 最标准的铅基合金 Sn63Pb37 或 Sn63Pb36Ag02 的比重 (或密度) 约为 8.4。无铅合金 (大部分为锡) 的比重约为 7.3，因而同样体积的焊料，无铅焊料大约重量轻 15%。 请举出一些低温无铅合金并说明它们应用的场合。 比锡-银-铜合金熔融温度低的无铅焊料合金由锡或锡合金加入铋、铟或锌构成，所有这些各有优缺点。 &#8226; 铋合金可以含有少量或较多的铋。一般来说，铋含量超过 8% 的焊料合金将会变脆。 SnAg3.0Bi3.0 的熔点为 213＆#176;C SnAg3.4Bi4.8 的熔点为 202-215＆#176;C SnAg2.0Cu0.5Bi7.5 的熔点为 211＆#176;C SnBi58 的熔点为 138＆#176;C &#8226; 铟合金可以含有少量或较多的铟。一般来说，含 50% 左右铟的焊料合金的强度降低，但延展性很好。铟的高成本是一个需要考虑的问题。 SnAg3.3In4.8 的熔点为 212-214＆#176;C SnAg3.0Cu0.5In10 的熔点为 194-200＆#176;C SnIn52 的熔点为 117＆#176;C &#8226; 锌合金锌含量通常低于 10%，但其易腐蚀性使其在大多数应用中极少使用。 SnAg3.0Zn15.0 的熔点为 200-202＆#176;C SnZn09 的熔点为 199＆#176;C 当然，合金成分可以包含铋、铟和锌。 SnBi3.0Zn9.0 的熔点为 187-195＆#176;C，其熔湿性优于 SnZn。 SnBi50.0In2.0 的熔点为 135-137＆#176;C，其延展性优于 SnBi SnBi15.0Zn5.0 的熔点为 170-193＆#176;C 请举出一些高温无铅合金并说明它们应用的场合。 目前，高铅含量 (>85%) 合金由于没有可用的替代品而被排除在禁用范围以外。尽管如此，仍然存在几种可能性。 Sn95Sb05 的熔点为 232-240＆#176;C，但不比 SnAgCu (217＆#176;C) 高很多。 Sn20Au80 的熔点为 280＆#176;C，但其成本限制了它的使用。 BiAg2.5 的熔点为 262＆#176;C BiZn2.7 的熔点为 255＆#176;C BiZn15 的熔点为 255-313 SnAl05 熔点为 382 Sn65Ag25Sb10 的熔点为 230-235＆#176;C 使用无铅焊料涉及的专利问题有哪些？ 全球已有超过 150 个相关专利，因此，选择某种无铅焊料合金必须谨慎进行，使用专利合金要支付适当的特许费用。某些合金由于是使用历史已经很长而没有专利保护，可以不需要特许使用。 SnAg、SnCu、SnSb、SnIn、SnBi 和 SnZn 合金 SnAg3.0Cu0.5 以及 SnAg4.0Cu0.5 (与具体应用相关) 大多数其他无铅焊料的金属组合已经获得专利。SnAgCu 合金最常见的专利包括： 爱荷华州立大学研究基金 (ISURF) 美国专利号 5,527,628 涵盖了 SnAg(3.5-7.7)Cu(0.9-4.0) 合金 Senju/松下日本专利号 JP302744 涵盖了 SnAg(3.0-5.0)Cu(0.5-3.0) 合金 凯斯特公司经过特许可在全球各地制造和销售这些专利 SnAgCu 焊料合金，这些特许可以传递给凯斯特公司的客户，它们可以使用这些合金。 </p>
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