新型焊接技术——免清洗焊剂和无铅焊锡膏
A New Solder Technology: Rinse-free Flux and Lead-free Solder Tin Paste

摘 要：鉴于全球电子制造业正向着绿色生产的方向发展，美国、日本、欧洲等一些国家制定了专项法规，保护人居环境。为此，本文重点
介绍了绿色焊接材料——免清洗焊剂和无铅焊锡膏的发展历程及其主要性能、特点以及存在的问题。阐述了国内外免清洗焊剂和无铅焊锡膏的
研究现状及其在电子组装技术中应用前景。
关键词：免清洗焊剂 无铅焊锡膏 环保 熔点
Abstract: Rinse-free flux and lead-free tin solder paste are discussed，including their development，performances，
features and existing problems.The research on and the application in the electronic assembly technology of the two
materials are reviewed.
Key words: rinse-free flux lead-free solder paste environment protection melting point

铅是目前电子产品中焊锡的主要成分之一，特别是锡铅合金，除了价格便宜外，尚具有焊接温度低，焊接性能优异，产品可靠性高等优点，已成为电子组装业最广泛使用的焊接材料。但铅是有毒物质，它不仅危害焊接人员的健康，还对环境造成污染，例如电子产品废弃物随同垃圾掩埋地下，遇到大气污染而形成的酸雨作用，产生溶解于水的有毒铅盐，污染地下水源，直接危害人类健康。对于电子产品及制造过程中所使用的有毒重金属，如铅等，目前在日本已限制使用，并可望在2004年全部禁用于全球市场，欧洲与日本非常热衷于电子业“禁铅令”立法，主要议题是欧盟指令中废弃电子和机电设备的处理，以及对电子和机电设备中的几种有害物质的限制使用。前者旨在对含有有毒重金属的废弃机电产品的
处理作出相关规定；后者是对几种有害性物质，包括铅、镉、汞和六价重金属离子等作禁用规定。
由于欧盟对禁铅政策的积极运作，全球所有电子产业可望于2004年起，全面禁用含铅成分的任何产品，彻底执行无铅电子工业，日本的一些大公司如日立、松下等提早在2001年实施了无铅产业，美国虽然尚未有正式的禁铅时间表，但也开始重视这一问题（如IBM、Motorola、Intel等），他们虽然反对在取代困难的领域中禁铅，但也渐渐感受到环保的压力，在低端电子产品中配合采用无铅焊接，以免未来回收使用时的高处理成本。因此，无铅焊膏的开发利用将是本世纪无公害电子产业所面临的重大课题。
1 免清洗焊剂
从保护臭氧层和满足SMT高密度组装的要求而言，采用免清洗焊接技术是一个有效途径，可以节省清洗设备，降低成本，简化工艺流程，免除清洗剂对环境的破坏，然而实现免清洗工艺有两种途径：
（1）用低固体含量的免清洗助焊剂。电子装联是否需要清洗与所使用的焊剂密切相关。在焊剂随固体含量的演变和发展过程中，固体含量由第一代的30%～40%、第二代的15%～20%，发展到第三代5%，近年来控制在2%～5%，甚至少于2%，已经达到免清洗焊剂的要求，为非松香、非树脂型。其中活性剂不含卤化物（卤化物含量低于0.01%～0.03%），有高的表面电阻，已能满足军标和其他特殊要求。
（2）在惰性气氛保护下进行焊接。通常情况下是采用焊剂来驱除焊接前的氧化物和焊接时的再氧化，若焊接过程置于惰性气体中，可避免焊接进的再氧化，大大减少焊剂的使用量，焊后残留量降到最少，从而达到免清洗的目的。在电子产品的加工过程中，惰性气体的消耗量大，成本高。欲真正实现免清洗装联，开发免清洗焊剂是必由之路。
2 无铅焊锡膏
作为焊料通常考虑诸多性能，如焊料润湿性；焊接强度可靠性；无公害和经济性等。无铅焊料以Sn-Ag或Sn-Cu合金最常见，然而其焊温平均上升30℃左右，可能带来焊接性较差，而不得不加强助焊剂的活力。为此，有人在上述合金中加入Bi或Ni，以降低其焊接温度。随着无铅化技术的不断发展，目前广泛采用的是Sn-Ag-Cu和Sn-Ag-Bi-Cu系列焊料，并已使用在各类电子设备及半导体产业中。未来的无铅焊料应具备如下特点：（1）熔点应尽量低；（2）在焊接温度下应具有良好的润湿性；（3）焊点应有足够的机械强度；（4）焊接后检修容易；（5）成本低，原料易于获得。
2.1 无铅焊膏的性能
以上述无铅焊料为例，首先观察其润湿性，如图1所示。图2表示润湿性随时间的劣化，由此可见，除Sn-Ag合金外，润湿性良好。其次观察连接部分的强度：利用多次温度循环试验，焊接强度变化如图3所示；通过高温储存，强度变化如图4所示。结果均表明无铅焊料与Sn-Pb焊料性能相比，并不存在大的差异，强度都高于50N（这样的拉拔研究实验表明，焊接以后的抗拉拔强度足以将印刷电路板上的布线拉断）。无铅焊料的综合性能详见表1，限于现有的技术水平，Sn-Ag焊料价格较贵，即使Sn-Cu焊料润湿性欠佳，但有人仍在继续研究Sn-Cu焊料。


图1 焊料温度与润湿时间

图2 焊料的湿润性随时间劣化

图3 焊接强度与温度循环次数的关系

图4 高温存储后的强度变化
2.2 无铅焊膏的应用
无铅系列元素在来源、产量、价格等方面都无法与含铅焊料相比。因此，无铅焊膏的开发应用受到一定的限制，尽管如此，它在本世纪的推广应用势在必行，日本的Superior公司在Sn-Cu合金中，添加Ni以降低其熔点，确保熔融时焊接的流动性，彻底消除了Sn-Cu合金在焊接时出现“桥接”和“空孔”等现象。2001年该公司生产以Sn-Cu-Ni为主要成分的无铅焊膏，月产已达10吨，价格比含银焊膏降低三成左右，在2002年产量可望提高10倍，达到月产上百吨的规模。台湾封装大厂日月光，采用Sn-Ag-Cu合金焊料，因其有更长的疲劳周期，更佳的延展性，更高的粘沾性，适合应用于IC封装。Lucent有一种交/直流转换器系采用无铅焊膏（96.5%Sn，3.5%Ag，熔点：221℃），在焊温250℃下完成焊接。N-ortel有一种Meridian电话也用无铅焊膏（97.3%Sn，2.7%Cu，熔点227℃）焊温在245～257℃之间。另外，松下公司在SJ-MJ30CD随身听的组装中，也采用无铅焊膏（90℃Sn，7.5%Bi，2%Ag；熔点218℃），由此可见，无铅焊膏在国际上已被广泛采用。
2.3 存在的问题
（1）改善润湿性；尽管无铅焊膏的润湿性良好，但与传统的Sn63%/Pb37%相比，其润湿效果为薄而面积大，而锡铅焊膏的扩散率为93%，无铅焊膏扩散率为73%～77%。
（2）降低焊膏熔点温度：锡铅焊膏的熔点为183℃，而小型元件的峰值温度达到240℃，元件引线的温度达到210℃，因此，大型元件和小型元件之间30℃的温差不会影响其平均寿命，对于无铅焊膏，如Sn/Ag成分的熔点为216～221℃，这样大型元件引线的加热须在高于230℃的温度下进行，才能确保润湿性，如果小型元件的峰值温度仍保持在240℃的话，那么他们之间的温度必须低于10℃，这样就会明显降低焊膏熔点和再流焊接峰值温度的差别，为此，就必须降低焊膏的熔点。
（3）改善元器件的封装材料和封装设计，避免高焊接热对元器件所造成的热冲击，确保元件质量。
（4）改善再流炉加热系统：将对流加热和IR加热组合起来，同时用氮气来保证无铅工艺的高生产率。
（5）自动工艺控制和再流焊曲线的优化：较窄的无铅工艺窗口迫使实施连续工艺监控，使用自动、连续、实时的热管理系列，由截面曲线测绘仪测量的曲线和热电偶探针测量的工艺温度进行适时校正。同时，最新软件可使用户在几分钟内确定最佳曲线，并在其中定位。
3 结束语
免清洗焊剂和无铅焊膏具有缩短生产周期、降低制造成本、基本没有环境污染的特点，因而迅速在全球电子工业中推广应用。我国已成为电子组装业的大国，随着全球经济一体化和我国进入WTO，禁铅令对我国电子工业形成强大冲击，主要表现在印刷电路板、IC封装、电机、电子半导体、电讯、家电产业、光学仪器等诸多领域，若不尽快开发应用新型环保焊接材料，将直接影响电子产品出口和人居环境的改善。目前，我们在无铅焊膏的开发应用方面还相当落后，面临日本和欧洲的含铅焊锡禁用政策和国际环保政策，对无铅焊膏的开发应用不仅势在必行，还必须加大开发力度，尽快跨入无铅技术领域，各相关产业在制作工艺上必须相互配合，共同促进其发展。

参考文献
［1］ 李桂云.无铅再流焊技术的应用分析［J］.世界产品与技术，2001，8（28）：63-64.
［2］ 谢哲松.王壬.无铅焊锡对我国电子之冲击［J］. 化工咨询（中国台湾），2000，12：61-66.

（转载自《电子元件与材料》2002年第10期）