表面貼裝行業(yè)的無鉛化現(xiàn)狀與趨勢

將金屬鉛用作低溫焊料已有多年的歷史，其優(yōu)點(diǎn)在于鉛錫合金可在較低溫度下熔化，而且鉛的儲量豐富、價格便宜。但隨著人們環(huán)保意識日益增強(qiáng)，作為污染土壤和地表水的潛在因素，業(yè)界對鉛的使用限制越來越多。盡管電子行業(yè)所用的鉛占不到世界鉛耗量的1%，但由于該行業(yè)所廢棄的焊接件占廢棄鉛元素比例迅速增加，因此表面貼裝業(yè)的無鉛化也成為一項(xiàng)迫切的課題。90年代初，美國率先提出了無鉛工藝率并制定了一個標(biāo)準(zhǔn)來限制產(chǎn)品中的鉛含量，但由于當(dāng)時無鉛工藝還不成熟，加上這樣做會加大廠商的制造成本，所以標(biāo)準(zhǔn)最終未能執(zhí)行。但無鉛工藝的發(fā)展沒有停滯，制造商正在積極討論在材料、回流焊溫度、PCB、裝配過程和檢測等方面制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)悉，摩托羅拉今年通訊產(chǎn)品中的無鉛產(chǎn)品將占5%以上，2010年全部實(shí)現(xiàn)無鉛化；日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會將在2005年全部實(shí)現(xiàn)無鉛化；歐洲委員會限制使用含鉛產(chǎn)品的立法也將于2006年1月1日生效。元器件的無鉛電鍍元器件的無鉛電鍍是貼裝行業(yè)實(shí)現(xiàn)無鉛化的首要條件，也是貼裝企業(yè)對元器件供應(yīng)商的迫切要求。由于無鉛電鍍和含鉛電鍍的工藝基本是一樣的，故電鍍的無鉛化難度相比貼裝無鉛化要簡單一些，關(guān)鍵是要選擇適當(dāng)?shù)奶娲辖?，使鍍層質(zhì)量和使用性能能夠滿足焊接要求。鍍層質(zhì)量是指電鍍不產(chǎn)生晶須、表面光澤好、與鎳層結(jié)合牢固。使用性能包括：濕潤性(潤濕角、一定溫度下的潤濕時間)、與焊料接合強(qiáng)度、回流焊后的氣孔、抗老化性能等。目前比較成功的無鉛電鍍合金有兩種：美國開發(fā)的Ni-Sn系統(tǒng)和日本開發(fā)的Cu-Sn系統(tǒng)，基本滿足了上述鍍層質(zhì)量和使用性能要求。

大量實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)采用傳統(tǒng)的鉛錫焊料時，這些新鍍層的使用性能與Pb-Sn鍍層不相上下；但當(dāng)改用無鉛焊料時，必須把回流焊溫度提高到260OC才能達(dá)到Pb-Sn焊料在235OC回流焊時的潤濕及結(jié)合程度。無鉛焊料的選擇貼裝無鉛化，主要在于無鉛焊料的選擇及焊接工藝的調(diào)整，其中尤以無鉛焊料的選擇最為關(guān)鍵。選擇無鉛焊料的原則是：熔點(diǎn)盡可能低、結(jié)合強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)。人們先后研究過許多錫基合金，概述如下：Sn-3.5Ag：是眾多無鉛焊料的基礎(chǔ)，溶點(diǎn)221OC（Sn-Pb焊料的熔點(diǎn)為183OC），液態(tài)下表面張力大、潤濕性差、強(qiáng)度高、抗蠕變性強(qiáng)。Sn-3.8Ag-0.7Cu：熔點(diǎn)217OC，Cu的引入不僅降低了熔點(diǎn)，且顯著改善了潤濕性能。245OC即具有很好的潤濕性，但在表面貼裝時，由于大元件較大的熱容量，回流焊溫度需提高到260OC。對有引線及無引線元件的熱循環(huán)試驗(yàn)表明，Sn-Ag-Cu不比Sn-Pb焊料差。良好的可靠性和合適的工藝參數(shù)使得該合金成為線路板貼裝時的最佳無鉛焊料，美國國家電子制造聯(lián)合會和諾基亞均推薦該合金為表面貼裝無鉛焊料。日本推薦的則是略經(jīng)改進(jìn)的Sn-Ag-Cu-Bi合金。Sn-3.4Ag-4.8Bi：熔點(diǎn)200~216OC，潤濕性最佳，表面最亮，抗熱疲勞及耐蠕變性與Sn-Ag-Cu焊料相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)于Sn-Pb。但該合金對鉛極為敏感，極少量的鉛也會使其熔點(diǎn)降至96OC，當(dāng)線路板暴露在100OC以上溫度下時，焊點(diǎn)就會脫落。Sn-Cu：溶點(diǎn)227OC，曲服強(qiáng)度低，蠕變速度高，特別適于取代現(xiàn)在的高鉛焊料（熔點(diǎn)大于300OC），用于倒裝芯片焊接。Sn-Zn系列：包括Sn-9Zn和Sn-Ag-Zn。Sn-Zn的低共熔點(diǎn)199OC，接近于Sn-Pb。Zn在空氣中會迅速氧化，形成大量氧化皮，故該焊料必須在完全無氧的環(huán)境下使用，此時其潤濕性接近Sn-Pb焊料，但Zn在固態(tài)下仍易于腐蝕，從而降低了焊料的耐腐蝕性，因此，該合金的廣泛使用仍存在著無法逾越的障礙。

SMT無鉛化的發(fā)展趨勢由于各國和地區(qū)的嚴(yán)格立法及表面貼裝業(yè)對環(huán)境保護(hù)的重視，按歐盟要求的時間表實(shí)現(xiàn)大部分元件與焊接過程的無鉛化是完全有可能的。但要徹底實(shí)現(xiàn)無鉛化，難度仍然很大，因?yàn)闊o鉛焊接的溫度在260OC以上，這對元器件和面積較小的PCB而言，是可以接受的；而對面積較大的PCB，將有可能引起變形、翹曲等。要從根本上解決這一問題，必須改變PCB材料，但這絕非一朝一夕可以完成的，現(xiàn)在也并無跡象表明PCB制造商準(zhǔn)備改變其所用材料。另一方面，正如本文開始時所提及的，貼裝行業(yè)對環(huán)境的污染主要是由廢棄造成的。因此，著重"綠色產(chǎn)品"即可回收產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)，才能從根本上消除電子行業(yè)對環(huán)境的污染。從這個意義上看，無鉛化只是減少表面貼裝業(yè)對環(huán)境污染的臨時措施。