无铅焊锡与导电性胶

本文介绍，两种材料都可以有效地取代含铅焊锡。

　　世界上，对无铅焊锡替代品的兴趣正在戏剧性地增加，主要因为在亚洲和欧洲都开始迅速地消除含铅焊锡在电子装配中的出现。日本的电子制造商已经自愿地要求到2001年在国内制造或销售的产品是无铅的。欧洲也在要求无铅电子，正如1998报废电气与电子设备指示(WEEE)所要求的那样。可是，由于欧洲社会的反对，期限没有确定，现在的截止日期估计在2004年以后。有许多理由支持把铅从电子焊锡材料中消除的努力。除了来自该元素毒性的环境压力之外，其它动机包括有害废物处理的关注、工作场所安全性考虑、设备可靠性问题、市场竞争性、以及环境共同形象的维护。
　　现在北美电子制造商所经受的压力本来是经济上的，而不是法令上的。为了消除其产品再不能出口到亚洲和欧洲电子市场的危险，制造商们正在寻找可行的含铅焊锡的替代者，包括无铅焊锡材料与可导电性胶。

　　无铅焊锡
　　无铅焊锡技术不是新的。多年来，许多制造商已经在一些适当位置应用中使用了无铅合金，提供较高的熔点或满足特殊的材料要求。可是，今天无铅焊锡研究的目的是要决定哪些合金应该用来取代现在每年使用的估计50,000吨的锡-铅焊锡。取消资源丰富价格便宜的(大约每磅0.40美元)铅，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加许多。
　　选择用来取代铅的材料必须满足各种要求：

　　1.它们必须在世界范围内可得到，数量上满足的需求。某些金属 - 如铟(Indium)和铋(Bismuth) - 不能得到大的数量，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。
　　2.也必须考虑到替代合金是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉(Cadmium)和碲(Tellurium)，是毒性的；其它金属，如锑(Antimony)，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。
　　3.替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型(preform)。不是所有建议的合金都可制成所有的形式，例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。
　　4.替代合金还应该是可循环再生的 - 将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并增加成本。
　　不是所有的替代合金都可轻易地取代现有的焊接过程。美国国家制造科学中心(NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在1997年得出结论，对共晶锡-铅焊锡没有“插入的(drop-in)”替代品。1994年完成的，作为欧洲IDEALS计划一部分的研究发现，超过200种研究的合金中，不到10种无铅焊锡选择是可行的。
　　数量上足够满足焊锡的大量需求的元素包括，锡(Sn, tin)、铜(Cu, copper)、银(Ag, silver)和锑(Sb, antimony)。商业上可行的一些无铅焊锡的例子包括，99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在这些替代合金内的所有这些元素具有与锡-铅焊锡不同的熔点、机械性能、熔湿特性和外观。现在工业趋向于使用接近共晶的锡银铜(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。
　　多数无铅合金，包括锡-银-铜，具有超过200°C的熔点 - 高于传统的锡-铅合金的大约180°C的熔点。这个升高的熔点将要求更高的焊接温度。对于元件包装和倒装芯片装配，无铅焊锡的较高熔点可能是一个关注，因为元件包装基底可能不能忍受升高的回流温度(图一)。设计者现在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的温度，以及各向异性的(anisotropic)导电性胶来取代倒装芯片和元件包装应用中的焊锡。
　　无铅合金的较高熔化温度可提供一些优势，比如，提高抗拉强度和更好的温度疲劳阻抗、使其适合于象汽车电子元件这样的高温应用。



　　电路板与元件的表面涂层也必须与无铅焊锡兼容。例如，铜表面涂层的板面上的焊接点可能在机械上和外观上都受较高的无铅焊锡的表面贴装技术(SMT)回流焊接温度的影响，它可能造成锡与铜之间有害金属间化合物的形成。无铅焊锡的外观也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比传统的锡-铅焊锡缺少一点反光性)，可能要求标准品质控制程序的改变。，因为现在没有高含铅(high-lead-bearing)焊锡的替代品存在，所以完全的无铅装配还是不可能的。
　　虽然现在的助焊剂系统与锡-铅焊锡运作良好，无铅替代合金将不会在所有的板元件表面涂层上同样的表现，不会容易地熔湿(wet)以形成相同的金属间化合物焊接类型。因此可能需要改善助焊剂，提高熔湿性能，减少BGA焊接中的空洞。
　　理想的无铅焊锡合金将提供制造商良好的电气与机械特性、良好的熔湿(wetting)能力、没有电解腐蚀和枝晶的(dentritic)增长的问题、可接受的价格、和现在与将来各种形式的可获得性。焊锡将使用传统的助焊剂系统，不要求使用氮气来保证有效的熔湿。
　　满足波峰焊接、SMT和手工装配要求的无铅替代品今天都可在市场买到，虽然在元件无铅合金、电路板表面涂层兼容性、助焊剂系统开发和工艺问题上要求更多的研究。
　　导电性胶(Conductive Adhesive)
　　传统上导电性胶作为将集成电路胶接与引脚框架(lead frame)的芯片附着(die-attach)材料使用。它们也用于制作印刷电路的分层，将铜箔附着在电路板或柔性的基底上，以及将电路粘结到散热片。由于无铅倡议的结果，导电性胶已经成为附着表面贴装元件焊锡的一个有吸引力的替代品。



　　在室温下固化，或暴露在100-150°C温度之间快速处理，这些胶对粘结温度敏感元件和在象塑料与玻璃这样的不可焊接的基板上提供电气连接是很好的(图二)。由于高度灵活性的配方，导电性胶也是诸如柔性电路的装配与修理或柔性基板与连接器粘结这些应用的解决方案(图三)。
　　导电性胶提供元件与电路板之间的机械连接和电气连接。有三种类型的电气导电性胶，配方提供需要电气连接的特殊用处。与焊锡类似，各向同性的(isotropic)材料在所有方向均等的导电性，可用于有地线通路的元件。导电性硅胶(silicone)帮助防止元件受环境的危害，比如潮湿，并且屏蔽电磁与无线射频干扰(EMI/RFI)的发射。各向异性的(anisotropic)导电性聚合物或Z轴胶片允许电流只在单个方向流动，提供电气连接性和舒缓倒装芯片元件的应力。
　　导电性胶是热固环氧树脂与诸如银、镍、金、铜和铟或氧化锡的导电性金属颗粒(或金属涂层)的化合物。相当软的金属通过胶在固化期间收缩时的变形提供良好的颗粒接触。现在常见的填充材料是银，由于其价格适中、广泛的来源与优良的导电性。当填充颗粒通过固化的树脂胶承载电流时，即导电也导热。伴生的导热性消除了机械散热的需要，提供在晶体管或微处理器与其散热片之间的有效热传导。
　　导电性胶是无铅和无氟氯化碳(CFC-free)的，不危害臭氧层，并且不含VOC。这些材料提供良好的设计灵活性，因为它们可填充异形区域和不同尺寸的间隙。较低的胶处理温度减少能源成本，允许装配中使用价格低廉的基板，减少PCB上的温度-机械应力和元件的损伤。
　　焊锡与胶的比较
　　无铅焊锡与导电性胶两者都是强有力的候选材料，提供电子元件的电气连接和热传导；可是，每个技术都有其优点和缺点。取决于应用，某个粘结技术可能提供较好的性能特性，或者提供工艺或成本的优势。
　　本性上，焊锡形成金属基底之间的冶金连接，而导电性胶形成基底表面的机械与化学粘结。冶金连接比导电性胶形成的粘结导电性更好，一般强度更高。因为胶要求金属填充物的有效扩散，来提供良好的电气特性。但是填充颗粒易于氧化，可能随着时间降低胶的导电性，而焊锡易于浸析出(leaching)金属(如，金或铜)，它可能脆化和削弱焊接点。胶会形成使金属表面失去光泽和氧化的高强度粘结，这通常是不可焊接的。
　　焊锡的导热性(60-65 W/mK)比胶的(3-25 W/mK)更高。焊锡的体积电阻系数(volume resistivity)为0.000015 ohm.cm，比胶的0.0006 ohm.cm少得多，表示焊锡通常比胶的导电性好。
　　虽然无铅焊锡一般在刚性基板上的抗机械冲击比导电性胶更好，但是焊锡在柔性基板上易于应力开裂。除了有高度柔性的配方之外，导电性胶抗振动与冲击比焊锡好。因为胶不提供焊锡表面张力的自我对中作用，使用胶的元件贴装是关键的，特别是超密间距的元件。对中不好造成较差的电气接触和对机械力的抵抗力不足。
　　焊锡很适合于J型引脚元件以及电镀和浸锡元件。胶对具有多孔表面的电镀元件元件与电路板粘结良好。胶也是非可焊与高度柔性的基板的无铅替代。因为胶可使用室温或低温固化机制，它们很适合粘结温度敏感的装配和元件。



　　焊锡经常对要求返工的电路板更有优势，因为胶要求较费时的、可能损坏电路板元件的返工工艺。已经配制出一些的环氧树脂，专门用于大间距连接的返工与返修应用。例如，如果电路板表面上的迹线(trace)被擦伤，那么可使用这类胶来在原焊接的地方修理电路。
　　成本问题
　　由于许多原因，无铅焊锡和导电胶两者都比传统的锡-铅焊锡更贵。鉴于铅是属于可得到的廉价的金属(每磅$0.40)，替代合金可能要贵得多。例如，银的每磅价格大约为$90，锡$3.70，铋$3.50，铜$0.85，和锌$0.60。锡膏通常到处的销售价为每克$0.15-0.30，取决于量和合金类型。
　　导电胶的价格变化很大，取决于使用的填充物的类型及其市场价格。导电胶的不同配方可有十倍或以上的变化因素。使用贵重金属作填充物的导电胶的材料成本相对比无铅焊锡或传统胶的材料成本更高。就单材料成本而言，胶通常比焊锡贵几倍。可是，胶的装配与工艺要求大约为焊锡用于同一应用的材料用量的一半。还有，胶的处理成本可能比焊锡低得多，因为胶的粘结要求较少的步骤。虽然处理时间对焊接与胶粘结对差不多，胶不要求助焊剂应用和清洗的时间与费用，如在波峰焊接应用中使用水洗型助焊剂。
　　以前使用CFC可迅速廉价地清除焊接助焊剂。在蒙特利尔协议(Montreal Protocol)之后，该协议要求制造商减少CFC的使用，CFC的使用已经受到限制，电路板制造商经常被迫使用效果较差和成本较高的方法来清除助焊剂，虽然许多已经转向免洗或可水洗的化学剂。可是，胶是过程友好的，减少有害废弃的化学品或有关处理成本。

　　未来
　　今天可购买到所有形式的无铅焊锡 - 从锡条到锡膏到预成型。开发新型助焊剂化学品的工作仍在继续，它可使无铅焊锡提供与含铅焊锡材料相同的性能。导电胶也在改进，以较低成本的、结合替代金属填充物或导电性聚合物的配方，提供优良的机械性能。
　　在未来，电子设备制造商将继续使用导电胶和焊锡两种材料。一旦无铅法规开始生效，胶与焊锡两者，单独地和时常协作地，都将提供环境上更安全的装配选择。