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无铅焊料这么火,这些常识你必须知道!
发布时间:2019-01-21 丨 阅读次数:372

1.无铅焊料的定义


  传统 Sn-Pb 焊料中 Pb 对人体和环境有极大危害,因此无铅焊料都是以 Sn 为基体,添加了一定 Cu、Ag、Zn、In 等不含 Pb 的其它合金元素,制造出新型的无铅焊料来取代传统的 Sn-Pb 焊料。但是,无铅焊料合金并不意味着焊料合金中绝对不 含有铅元素,它只能保证基体材料中一定不含有铅元素,但是铅可以作为杂质元素与其它添加元素一起进入到无铅焊料合金中,这就表明它的存在是无法避免的,只能限制铅作为杂质的含量,使得它对人体和环境几乎不具有危害。所以无铅焊料的 定义并不是指焊料中一定不含铅,而是变成“焊料合金中铅含量限值”的问题上。在 1990 年左右制定的国际 ISO 9453、JISZ 3282 等标准中明确的指出了杂质元素铅的含量的使用范围,即标准清楚的列出杂质元素 Pb 的质量百分数应小于 0.1%。 这些规定标准针对的主要对象是大部分的二元焊料合金,而对于三元甚至多元无铅焊料合金,而现有的 ISO 9453、JISZ 3282 等国际标准中并没有相关提及,但是目前该行业的普遍观点也是要求其中杂质元素铅的含量要小于 0.1%,而且影响力极 大的欧盟 ROHS 指令中同样指出:含铅制品中铅的质量分数必须控制在 0.1%以下。 


2.无铅焊料的性能要求


  根据人体健康和环境的相关要求和电子行业的应用技术要求,无铅焊料应具备以下各项性能:

  (1)无毒性 即合成焊料的各种组成成分应该是无毒的,既不能污染环境,也不能损害人体健康,且还能够被环境分解而不能长久的存在于大自然当中。

  (2)低熔点 高熔点是电子器件最不利的影响因素之一,因此无铅焊料的熔点应最好与传统的 Sn-Pb 焊料合金的熔点(183℃)不相上下。如果无铅焊料的熔点过高,那么原有的工艺设备将被淘汰,既增加成本又浪费现有的资源;无铅焊料的熔点过高,也会使 得印刷电路板变色严重、甚至发生翘曲等现象。因此,选择和创造低熔点的新型无铅焊料合金将是研究人员不断的追求目标。另一方面,焊料的熔程也会对焊料的使用产生一定的影响,所以无铅焊料合金的熔程不易太大。焊料合金的熔程越大,表 明焊料凝固时所需要的时间将会越长,时间越长会使焊料合金在此段时间内越容易被氧化,生产大量的氧化渣,使焊接点不稳定,产生焊接缺陷等。

  (3)低成本 生产无铅焊料合金的原材料应该满足数量充足、价格低的要求,且所需焊料的原材料容易获取,可以实现大批量的生产。

  (4)润湿性能良好 一般而言,焊料是否能够与基板材料完成很好的浸润是保证焊接质量的重要因素,若是不能浸润基板材料,那么就不能作为焊接材料,即使其他的性能优越。通常零件上的焊接头成百上千个,如果某一个焊接点由于润湿性能不良而导致虚焊、脱焊 、不导电等缺陷的产生,它都会使得整个零件的稳定性和质量受到严重的影响,甚至成为废品,所以无铅焊料必须具有良好的润湿性能才能保证焊接产品的质量。

  (5)抗氧化性能优良 熔融状态的焊料合金在使用过程中、高温状态下表面极易氧化,产生大量的氧化渣,降低焊接质量,浪费资源等。由于焊点凝固后,钎料的氧化物往往会残留在钎料/铜界面形成渣,这些氧化物的夹渣会降低焊接点的机械连接性能和电气连接性能的 可靠性。

  (6)良好的力学和物理性能 焊料合金的热导率、电阻率、表面张力等因素的大小会对电子产品的制造工艺、产品的可靠性能造成巨大的影响;例如焊料合金的电阻率高低会直接影响其本身的导电性能,导电性能降低,则会直接影响电子产品的质量,因而焊料合金的基本要求 是具备优异的导电性能;焊料合金表面张力的大小会影响其本身的润湿性能,表面张力太大,会降低焊料的润湿性能,从而影响焊接点的牢固性,表 1.1 中列出部分焊料合金的物理性能参数。

 

  (7)机械强度要与传统的锡铅焊料基本保持一致 与传统 63Sn37Pb 焊料相比,无铅焊料合金的机械强度和可靠性不能低于 63Sn37Pb 的要求,以保证产品在制造和使用过程中的安全性能。一般而言,现有的无铅焊料合金的机械性能大部分都能满足此要求。1993 年,由美国国家制造科学中心带头 ,11 家著名的大型公司(AT&T,Ford Motor,GM 等)和美国研究机构(NIST,PRI,United Tech 等)共同对新型无铅焊料合金的基本性能指标给出了一个合适的使用范围和标准,具体参数如表 1.2 所示。  (8)可循环使用 无铅焊料合金应该满足重复的使用的要求,这样可以有效的提高资源的利用率、减少对资源的浪费,而且还能大大降低对生态环境的污染和破坏。

  (9)储存性好 无铅焊料合金应该具备优异的稳定性能,常温状态下不易与其它的金属反应,便于携带;且常温下不易发生变质、氧化、挥发等,便于贮存。  


3.无铅焊料的主要问题和发展趋势


  当前,无铅焊料的研究只是通过改变原有焊料配料的比例、成分、组织的控制等方法来改善其微观组织,从而达到改变焊料合金的抗氧化性能、润湿性能等综合使用性能。

  近年来,全球无铅焊料的研究表明:对于无铅焊料的相关技术尚没有明确的全面信息,因此当前对无铅焊料的研究现状大都局限在根据实际需要,而开发研究出达到某项需求的合金焊料上,而不是研发出各项性能都优越的新型无铅焊料。因此,对 无铅焊料合金组元的选择才会向多元化发展,同时合金元素的选择也多达十几至几十种。

  据当前的研究结果表明,尚没有一种无铅合金焊料能够满足现代电子封装工业超微化发展所要求的各项性能指标。2003 年英国国家物理实验室(NPL)和国际锡金属研究学会(ITRI)共同发表了“An analysisof the current status of lead-free soldering”分析报告,该报告显示:“现在已经有多种多样的无铅焊料问世,但是还没有一种能够完全取代传统锡铅焊料的新型无铅焊料”,所以大家必须通过紧密合作建立整个无铅焊料的性能数据库是当务之急。与传统的 Sn-Pb 焊料合金相比,现 有研究开发的新型无铅焊料存在着或多或少的问题,其大概的问题有:

  (1)焊料的熔点不是偏高就是偏低 大多数焊料合金的熔点一般都要比传统的 Sn-37Pb焊料高,例如目前被业界广泛认同的 Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu 系无铅钎料的熔点都比传统的 Sn-37Pb 钎料的熔点 183℃高出 40℃左右,这些差距就决定无铅化钎焊技术需要更高的焊接温度,那 么要想完成新型无铅焊料的焊接,焊接设备必须能够承受如此高的温度,同样要求电子元器件和印刷电路板具有更高的耐热性才能满足无铅焊料使用的要求。

  (2) 润湿性较差 通常而言,传统的 Sn-37Pb 焊料的润湿性能一般都高于无铅焊料的润湿性能,所以我们须对钎焊工艺的控制提出更高的要求,或者开发出新型的助焊剂来弥补无铅焊料润湿性不足所带来的危害,保证焊接产品的质量。

  (3) 钎焊接头可靠性、抗氧化性能差 目前研究人员普遍发现,无铅焊料的外观和工艺性一直不如传统的 Sn-Pb 焊料,所以人们采用通过钎剂、气氛以及调整人们的观念等方式来弥补其不足,使其被市场所接受认可。另一方面,无铅焊锡的力学性能一般都要比Sn-Pb 钎料优越,结果导 致增加了商家的成本,并且对外围条件也提出了更多新的要求。

  随着人们保护环境的呼声日益高涨,以及发达国家有关限制或禁止使用含铅焊锡立法的实行,一旦解决了此类问题,无铅焊锡必将有着广阔的市场和发展前景。所以开发出新型抗氧化钎焊料,寻找各金属元素的最佳匹配关系,完全取代传统的锡铅 焊料合金将是一个长期漫长的研究过程,也是我们科学研究者不断追求的目标。

 

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