表面贴装行业的无铅化现状与趋势

将金属铅用作低温焊料已有多年的历史,其优点在于铅锡合金可在较低温度下熔化,而且铅的储量丰富、价格便宜。但随着人们环保意识日益增强,作为污染土壤和地表水的潜在因素,业界对铅的使用限制越来越多。尽管电子行业所用的铅占不到世界铅耗量的1%,但由于该行业所废弃的焊接件占废弃铅元素比例迅速增加,因此表面贴装业的无铅化也成为一项迫切的课题。

90年代初,美国率先提出了无铅工艺率并制定了一个标准来限制产品中的铅含量,但由于当时无铅工艺还不成熟,加上这样做会加大厂商的制造成本,所以标准最终未能执行。但无铅工艺的发展没有停滞,制造商正在积极讨论在材料、回流焊温度、PCB、装配过程和检测等方面制定统一的标准。据悉,摩托罗拉今年通讯产品中的无铅产品将占5%以上,2010年全部实现无铅化;日本电子信息技术产业协会将在2005年全部实现无铅化;欧洲委员会限制使用含铅产品的立法也将于2006年1月1日生效。

元器件的无铅电镀

元器件的无铅电镀是贴装行业实现无铅化的首要条件,也是贴装企业对元器件供应商的迫切要求。由于无铅电镀和含铅电镀的工艺基本是一样的,故电镀的无铅化难度相比贴装无铅化要简单一些,关键是要选择适当的替代合金,使镀层质量和使用性能能够满足焊接要求。镀层质量是指电镀不产生晶须、表面光泽好、与镍层结合牢固。使用性能包括:湿润性(润湿角、一定温度下的润湿时间)、与焊料接合强度、回流焊后的气孔、抗老化性能等。目前比较成功的无铅电镀合金有两种:美国开发的Ni-Sn系统和日本开发的Cu-Sn 系统,基本满足了上述镀层质量和使用性能要求。大量实验表明,当采用传统的铅锡焊料时,这些新镀层的使用性能与Pb-Sn镀层不相上下;但当改用无铅焊料时,必须把回流焊温度提高到260OC才能达到Pb-Sn焊料在235OC回流焊时的润湿及结合程度。

无铅焊料的选择

贴装无铅化,主要在于无铅焊料的选择及焊接工艺的调整,其中尤以无铅焊料的选择最为关键。

选择无铅焊料的原则是:熔点尽可能低、结合强度高、化学稳定性强。人们先后研究过许多锡基合金,概述如下:

Sn-3.5Ag:是众多无铅焊料的基础,溶点221OC(Sn-Pb焊料的熔点为183OC),液态下表面张力大、润湿性差、强度高、抗蠕变性强。

Sn-3.8Ag-0.7Cu:熔点217OC,Cu的引入不仅降低了熔点,且显著改善了润湿性能。245OC即具有很好的润湿性,但在表面贴装时,由于大元件较大的热容量,回流焊温度需提高到260OC。对有引线及无引线元件的热循环试验表明,Sn-Ag-Cu不比Sn-Pb焊料差。良好的可靠性和合适的工艺参数使得该合金成为线路板贴装时的最佳无铅焊料,美国国家电子制造联合会和诺基亚均推荐该合金为表面贴装无铅焊料。日本推荐的则是略经改进的Sn-Ag-Cu-Bi合金。

Sn-3.4Ag-4.8Bi:熔点200~216OC,润湿性最佳,表面最亮,抗热疲劳及耐蠕变性与Sn-Ag-Cu焊料相当,强度优于Sn-Pb。但该合金对铅极为敏感,极少量的铅也会使其熔点降至96OC,当线路板暴露在100OC以上温度下时,焊点就会脱落。

Sn-Cu:溶点227OC,曲服强度低,蠕变速度高,特别适于取代现在的高铅焊料(熔点大于300OC),用于倒装芯片焊接。

Sn-Zn系列:包括Sn-9Zn和Sn-Ag-Zn。Sn-Zn的低共熔点199OC,接近于Sn-Pb。Zn在空气中会迅速氧化,形成大量氧化皮,故该焊料必须在完全无氧的环境下使用,此时其润湿性接近Sn-Pb焊料,但Zn在固态下仍易于腐蚀,从而降低了焊料的耐腐蚀性,因此,该合金的广泛使用仍存在着无法逾越的障碍。

SMT无铅化的发展趋势




由于各国和地区的严格立法及表面贴装业对环境保护的重视,按欧盟要求的时间表实现大部分元件与焊接过程的无铅化是完全有可能的。但要彻底实现无铅化,难度仍然很大,因为无铅焊接的温度在260OC以上,这对元器件和面积较小的PCB而言,是可以接受的;而对面积较大的PCB,将有可能引起变形、翘曲等。要从根本上解决这一问题,必须改变PCB材料,但这绝非一朝一夕可以完成的,现在也并无迹象表明PCB制造商准备改变其所用材料。

另一方面,正如本文开始时所提及的,贴装行业对环境的污染主要是由废弃造成的。因此,着重"绿色产品" 即可回收产品的设计与开发,才能从根本上消除电子行业对环境的污染。从这个意义上看,无铅化只是减少表面贴装业对环境污染的临时措施。