无铅焊料的发展

摘 要：本文就无铅焊料的发展进行论述。分析了几类正在实用化的无铅焊料特性。指出了无铅焊料的发展趋势。

关键词：焊料；无铅焊料；特性；趋势

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2005）05-08-04

1 引言

有害的废料定义为任何可能“在不适当处理、储存、运输或管理时，对人类健康和环境造成实际存在的或潜在的威胁”的东西，而铅是一种有毒的重金属，每年在电子行业中都会使用大量的含铅材料或成品，由此形成含铅盐的工业渣滓，不仅会对人体造成影响，而且对环境也造成重要的污染。

1.1 铅对人体的影响

铅对人的影响很大：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。而铅对儿童的危害更大，会影响其智商和正常发育（美国职业安全与健康管理署（OSHA）标准，见：成人血液中铅含量应低于50mg/dl,儿童血液中铅含量应低于30mg/dl）。

1.2 铅对环境的污染

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，有大量的铅蒸发气逸出，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；而那些丢弃的各种电子产品、PCB上所含的铅也不容忽视。这些被作为垃圾处理的废电产品埋入地下后，其中所含的铅可能会从电产品渗出进入地下水。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，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10g，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，特别是在遇酸雨日寸，雨中所含的硝酸和盐酸更促使铅的溶解，流人我们的饮用水之中，从而污染水源，破坏环境。可溶解性使它在被人饮用后，逐渐在人体内累积，损害神经，导致呆滞、高血压、贫血、生殖功能障碍等疾病，浓度过大日寸，还可能致癌。

因此，为了保护人的身体健康和生态环境，在电子行业中使用无铅焊料势在必行。

2 无铅焊料的发展阶段

无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体健康而发展起来的，其大致可以分为以下几个阶段：

(1)无铅焊料的提出阶段 1991年和1993年，美国参议院提出“Reid Bill”，要求将电子焊料中铅含量控制在0．1％以下。由于当时所有的电子产品都离不开有铅焊料，有铅焊料发展得相当成熟，而在那时人们对生态环境的保护意识还不够，对铅对人体损伤的认识不足，因而没有受到重视。

(2)无铅焊料的发起阶段

从1991年起NEMI、NCMS、NIST、Drr、NPL、PCIF、ITRI、JIEP等组织相继开展无铅焊料的专题研究，耗资超过2 000万美元，目前仍在继续。

(3)无铅焊料的运用阶段

在1998年10月，款批量生产的无铅电子产品Panasonic MiniDisc MJ30问世。20世纪90年代中叶，日本和欧盟作出了相应的立法：日本规定2001年在电子工业中淘汰铅焊料，在2004一年禁止生产或销售使用有铅焊料焊接的电子生产设备；而欧美在2006年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备，但是由于无铅焊料还存在技术上的原因，有可能到2008年才能实现电子产品无铅化。

3 无铅焊料的要求及种类

3．1 无铅替代物的要求

电子工业在寻找无铅的焊料替代品，能够取代Sn／Pb合金必须具有与Sn／Pb焊料相似的物理、机械、温度和电气性能。

·价格：许多厂商都要求价格不能高于63sn／37pb，但目前无铅替代物的成本都比63sn／37pb高3 5％。

·熔点：大多数厂家要求固相温度为150℃，以满足电子设备的工作要求。液相温度则视具体应用而定，而无铅焊料一般都比有铅焊料的温度高30℃。

波峰焊用焊条：为成功实现波峰焊，液相温度应低于265℃。

手工焊用焊锡丝：液相温度应低于烙铁工作温度345℃。

焊膏：液相温度应低于250℃。

·导电性：这是电子连接的基本要求。

·导热性好：为了能散发热能，合金必须具备快速传热能力。

·较小的固液共存范围：大多数建议此温度范围控制在10℃之内，以便形成良好的焊点，从而达到的焊接状态和较少的缺陷。如果合金凝固范围太宽，则有可能发生焊点干裂，使电子产品过早损坏。

·低毒性：合金及其成分必须无毒，此项要求将镉、铊和汞排除在考虑范围之外；有些人也要求不能采用有毒物质所提炼的副产品，因而也有可能将铋排除在外，因为铋主要来源于铅提炼的副产品。

·具有良好的润湿性：在现有设备和免清洗型助焊剂条件下该合金应具备充分的润湿度，才能够与常规免清洗焊剂一起使用。

·良好的物理特性(强度、拉伸、疲劳)：合金必须能够提供Sn63／Pb37所能达到的强度和可靠性，而且不会在通过器件上出现突起的角焊缝(特别是对固液共存温度范围较大的合金)。

·生产的可重复性、焊点的一致性：由于电子装配工艺是一种大批量制造工艺，要求其重复性和一致性要保持较高的水平，如果某些合金成份不能在大批量条件下重复制造，或者其熔点在批量生产时由于成份的改变而发生较大的变化，便不能予以考虑。

·焊点外观：焊点外观应与锡／焊料的外观接近。

·与铅的兼容性：由于短期内不会立刻全面转型为无铅系统，所以铅可能仍会用于PCB焊盘和元件的端子上，若焊料中掺人铅，可能会使焊料合金的熔点降得很低，强度大大降低。

·供货能力：当试图为业界找出某种解决方案时，一定要考虑材料是否有充足的供货能力。从技术的角度而言，铟是一种相当特别的材料，但是如果考虑范围内铟的供货能力，人们很快就会将它彻底排除在考虑范同之外。
3．2 可以替代有铅焊料的元素

替代元素在与其他成分形成合金后所做成的焊料必须与有铅焊料的特性(不论是在电气性能，还是在机械性能等方面)具有相似的性质，甚至更好。目前替代有铅焊料的元素主要有七种，如表1所示。

3．3 已出现的无铅焊料

这几年来无铅焊料的发展越来越受到重视，目前已经有一系列的无铅焊料出现，而且还在不断地进一步开发之中。主要的无铅焊料系列如表2所示。

3．4 正实用化的无铅焊料及其熔点温度范围

3．5 无铅焊料的特性

·熔点高，比sn-Pb高约30℃；
·无铅产品是绿色环保的先锋，有益人类身心健康，没有腐蚀性；
·比重略小，仅次于锡的比重；
·流动性差，浸润性差；
·耐疲劳性强；
·高Sn含量，高温下对Fe有很强的溶解性。

3．6 无铅焊料需要面对的问题

·由于合金本身的结构，使它跟有铅焊料相比，比较脆，弹性不好；

·浸润性差，只会扩张，不会收缩(如所示，浸润性与润湿角O有很大的关系，润湿角越大，浸润性越差)；

如sn。Ag系合金添加Cu时，共晶点会改变。当Ag的质量分数增加4．8%、Cu增加约1．8％时产生共晶，如果在合金中添加In，在提高合金微细化强度和扩张特性的同时，表面会形成氧化膜，所以浸润性稍差。

·色彩暗淡，光泽度稍差；

因为在无铅焊料的搭配中限制了磷元素的使用，所以光泽度稍差，但并不影响其他质量问题。

·锡桥、空焊、针孔等不良率有待降低。

此类缺陷多于有铅焊料，但是并不是无法解决的问题。助焊剂的种类质量选购比有铅要严格；预热器恒温要稳定。波峰的焊接时间、接触面、PCB板的温度如波峰焊接时间1～1．5 s，接触面积10～13mm2；第二波峰焊接2-2．5s，接触面积为23～28mm2左右，板面温度不能超过140℃。所以无铅焊料对于设备性能要求高，特别上双波峰的距离，如果设计得太近，会造成板面的温度增高、损坏元件并增加助焊剂挥发，产生锡桥等缺陷。

4 无铅焊料的发展趋势

随着欧盟RHS关于2006年7月1口无铅化期限的逼近，日本的电子产品制造商PANASONIC／NATIONAL、SONY、TOSHIBA、PIONEER、NEC等，从2000年开始导人无铅化制程，至今已基本实施无铅化制造，在日本及欧美市场上推出“绿色环保”家电产品。因此，出于对环保的考虑，市场发展趋势是使用含铅焊料的电子产品将无法进入市场。对于电子组装企业来说，无铅焊技术的应用已经是摆在企业面前必须解决的现实问题。

无铅工艺的研究目前正方兴未艾，但要使这项技术推广应用，必须要解决以下三个问题：首先，制造商需要提高生产工艺；第二，厂商原有的设备不能满足新工艺的要求；第三，无铅焊料还存在着技术上的缺陷；，无铅工艺会增加企业的成本，这使得在电子产品中完全禁止使用铅有可能推迟至2008年执行。

5 结束语

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，将逐渐被新的绿色无铅焊料所替代。