无铅焊接工艺基础(PDF 48)(1)

无铅焊接工艺基础提供金属粉末制作工艺和设备上海东建中021-651479431第一章无铅焊锡之一览2.电子机器及铅金属铅为融点低、价廉、加工容易的特性，或是变成氧化物的话，其透明感远超过其它的氧化物，所以自古即广泛使用在食器、配管、涂料、化妆品等人们的生活里。可是随着长久使用历史，铅对人类造成危害的历史，自纪元前就有记录。表1.1铅的毒素所引起事故的历史及法律年代事项BC370年左右ヒポクテラス，,发生在精炼金属的男性的疝痛，其原因记载是受铅所影响BC-世纪前ウィトルーウィウス，在『建筑书』中记载铅作业人员的铅中毒情形(罗马)1839デ·プランシュ，记录有关铅处理的大多数劳动者的铅中毒(法国)1878BASF公司的医生内伊氏，报告生病及外伤所造成之劳动工时的损失及疾病率(有关报告铅疝痛或硝基苯中毒、硫化氢中毒之外，并调查疾病及职场环境的关系)(德国)1883制定有关防铅中毒的法规(英国)1891东京帝大神椒教授，在东京医学会总会报告艺人的铅中毒1911汉弥顿女士报告全国的铅产业之调查结果(美国)1912レツジ及ゴードバイ，出版『铅中毒及铅吸收』(美国)1916东京帝大三浦谨之助助教授，在临床课里提起女演员的铅中毒1916农商务省判定砷(砒霜)、水银、磷、铅、氰化物等的中毒为职业病1950劳动者调查铅中毒及水银中毒的实态1960全面改正四乙基铅的危害防止规则1967公布铅中毒预防规则1972公布有机溶剂中毒预防规则、铅中毒预防规则、四烷基铅中毒预防规则、特定化学物质等障害预防规则表1.1整理了历史所记录的主要铅中毒的例子。最早的记录是纪元前的罗马时代，ヒポクテラス所指摘之精炼场的作业员铅中毒。可说是产业病的肇始。其后亦遗留多数有关作业环境里铅的事故报告。另一方面，在我们的生活环境、艺术范畴里，亦有长久使用铅的历史。常当作酒杯来使用水晶玻璃，以前亦使用大量的铅，是最近因有铅中毒的疑虑而使改用铋。到现在油画里所使用的「白色」尚无替代氧化铅(正确的是盐基性碳酸盐2PbCo3．Pb(OH)2作为「铅白」)的东西，所以艺术家虽然知道其毒性但仍持续使用。19世纪左右法国的艺术家雷诺厄尔其晚年为疼痛所困扰。这是雷诺厄尔在绘画时常舔笔尖的习惯，因而导致铅中毒的说法。又在日本的明治时代亦有官员或艺人铅中毒的报告，此在前已述，因铅白的白色而被当作白粉来使用为其原因。虽未遗留有记录，但以前时代的化妆品，铅白长无铅焊接工艺基础提供金属粉末制作工艺和设备上海东建中021-651479432期被使用的缘故，有极多日本人受到铅中毒的困扰，并不难想象另一种说法是【大名】的小孩的短命原因，是乳母的铅白化妆而引起。另一方面，在美国有一阵子流行剥白漆当作口香糖一般来嚼，而有发生急性中毒的小孩。有关铅矿或治金精炼等产业环境等的铅管理，17世纪左右虽已有人注意到，但在生活环境里担心铅的毒性问题则是最近的事情。铅大多蓄积在骨头的硬组织里，其中毒的症状有疼动、智能障碍、精神不安定、进行性痴呆、生殖障碍、肾障碍、骨头发育障碍等种种。自1980年代起开始指出对小孩有强烈的影响。美国的统计报告里，7岁小孩随血中铅浓度的增加，IQ显著降低的事实，造成极大的冲击。此外有很多有关铅对儿童所造成障碍的报告，伴随血中之铅浓度的增加，造成不安定、任意的行为、暴力的倾向增强。在美国成为一极敏感的社会问题。这当然有其道理，对肝脏排毒功能尚未发育完整的幼儿之所受到铅的影响，比成人更明显。如饮入同量的铅时，儿童比大人的吸收量多了4~5倍。美国环境厅(EPA：EnvironmentalProtectionAgency)的报告里，血中浓度在10~15mg/100ml的话，会造成神经上的影响。铅大多由家庭等生活环境进入人体，美国已经禁止使用水管用铅管或含铅焊锡或规制使用含铅涂料，制定详细的法规。3.法规的动向无铅焊锡之相关法案或开发计画，将主要项目整理如图1.5所示。1990201020082004200220001998199619941992美國法制化檢討×JEIDA-JIEProadmapEU指令檢討DTILead-FreeProject(英國)NCMSProject(美國)IDEALS(EU)NEDOProject(日本)NEMIProject(美國)IMSProject(日本)通產標準化Project(日本)通產EIAJProject(日本)JIEP低溫無鉛焊錫Project(日本)图1.5有关无铅焊锡的法案或开发计画无铅焊接工艺基础提供金属粉末制作工艺和设备上海东建中021-651479433第二章环绕无铅焊锡之世界上的研究计划在计划中首先就79种在现阶段选择有可能成为使用对象的合金，进行初步筛选。筛选分类的检查项目为毒性、资源、经济性及濡润性等基本物性。因而得到表2.2的7个downselection。第二次评估是对这七个合金，就实装生产性、信赖性加以评估。经过合金的评估后，虽然无法提出一个最终的选择，但值得建议的合金列举如表2.3所示。Sn-57Bi合金，因Bi资源稀少，以标准焊锡而言在初期的检讨结果，是建议不予采用。但是,就200℃以下实装的焊锡而言是有用的，再者像IBM等的mainframe方面，亦有使用20年以上的实绩的结论，该配比是可以用在特殊用途方面。表2.27个无铅的downselectionCode组成融点(℃)A1Sn-37Pb(比较合金)183A4Sn-3.5Ag221A6Sn-58Bi139E4Sn-3Ag-2Bi220F2Sn-2.6Ag-0.8Cu-0.5Sb211F17Sn-3.4Ag-4.8Bi210F21Sn-2.8Ag-20In187F27Sn-3.5Ag-0.5Cu-1Zn221表2.3能推荐使用在表面实装的3种合金合金液相线固相线适用范围注意事项Sn-58Bi139℃(共晶)一般家电制品行动电话能在低温实装。虽为共晶组成但有耐热性的问题。在表面实装里有比Sn-Pb更优秀的热疲劳特性。贯穿孔方面，CPGA-84时比Sn-Pb佳，但在CDIP-20时就比较差。Sn-3.5Ag-4.8Bi210℃205℃一般家电制品行动电话航天．飞机汽车表面实装时在0℃~100℃的范围时，比Sn-Pb共晶焊锡优秀。-55℃~+125℃时比Sn-Pb好。波焊(DIP)时几乎都会发生liftoff。无铅焊接工艺基础提供金属粉末制作工艺和设备上海东建中021-651479434Sn-3.5Ag221℃(共晶)一般家电制品行动电话航天．飞机汽车表面实装在0℃到100℃时，和Sn-Pb相同，但在-55℃到+125℃时则变差。比起其它的高Sn量合金，liftoff较少发生。有关Sn-2.6Ag-0.8Cu-0.5Sb方面,至今信赖性尚不明确。再者，这些以外的成果有j推荐无铅焊锡的适用对象k反应价格及供给性的合金组成指针(guidline)l7种download选择合金的基本资料(database)之间的比较m其它70种所限定的特性资料n用过各种试验基板之最适合的制程条件o所选择的合金及各种表面处理之间的反应之金属学上的反应解析及强度评估p4种类所选择的合金之热疲劳评估及寿命预测(寿命预测软件为NCMS计划所有)q有关无毒性合金组成之评价等与无铅焊锡相关基本资料的建立。报告书及CD-ROM可直接由NCMS取得。在NCMS之后，美国方面自法案中将电子项目除外，无铅焊锡的开发热亦急速降温。但是受到EU的指令案提案，日本之实用化推展的刺激，在1999年5月以NEMI(TheNationalElectronicsManufacturingInitiative)为中心，重新组织了对无铅焊锡实装对应之实装业界团体(NEMITaskForceonLead-FreeSoldering)。NEMIPb-FreeInterconnetGroupEdwinBradley，MotorolaKenSnowdon，NortelNetworkAlloySelectionJasbirBath，SolectronCarolHandwerker，NISTEnvironmentalMonitoringRonGedney，NEMIComponentsSriniChada，MarkKwoka，IntersilSolderReliabilityGordonWhitten，DelphiElizBennedetto，Compaq无铅焊接工艺基础提供金属粉末制作工艺和设备上海东建中021-651479435图2.1NEMILead-FreeTaskForce的构成参加成员为大型电子相关的制造商，其组织整理如图2.1所示。这组织的活动主要目的为下列点：¬2004年之无铅化为着眼，在2001年能在生产无铅产品的能力。¬为无铅焊锡的实装里所能使用的零件、材料、制程条件需加以明确。¬由Sn-Ag-Cu系的焊选择一种主力成份。¬藉零件、材料、设备等制造商彼此间的协力，确认能在接近260℃的高温里，对实装技术能顺利移转。¬确立无铅焊锡实装流程的评估基准。在此计划里，回焊（Reflow）、波焊（Flow）或洗净（Cleaning）、修补（Repair）等的观点下，开始无铅焊锡实装的制程、材料条件之相关的研究。在2000年中期，已经开始调查研究或部分的开发研究，开始一点一滴地发表研究报告。1.EU的研究计划英国的ITRI(TheInternationalTinResearchInstitute)，在1998年与NPL{NationalPhysicalLaboratory}以无铅焊锡实装及以有关无卤素化(HalogenFree)的研究调查为主题进行共同计划，做出结论(DTIsupport：DepartmentofTradeandIndustry)。此报告书在EU免费发送，详细整理世界的法规动向或研究开发的动向。在这里面EU的计划为中心之主要动向加以如表2.4。表2.4EU有关无铅焊锡的计划计划名称成员结果备注Lead-FreeGEC、Nortel、Multicore、ITRISn-3.5Ag、Sn-0.7Cu可行。0~100℃/5000次热疲劳试验，虽会产生龟裂，但没有问题。Nortel试作150台电话机。1991-1993DTIproguctSolderProgramOpenUniversity、Alpha-Fry、Multicroe评估Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的基础特性。机械特性、creep、疲劳、金属相。EPRSCprojectModelingofSolderJointReliability，forElectronicInerconnectsCambridgeUniversity3.5年以计算器仿真为主，以预测信赖性为目标。EPRSCprojectLoughboourghUniversityMotorola使用DSC、TGA评价基础物性。无铅焊接工艺基础提供金属粉末制作工艺和设备上海东建中021-651479436WettabilityofSurfaceswithNewSolder/FluxCompositionsTWI评价含助焊之濡润性为主。1998~2000IDEALSGECMarconi、MulticorePhillips、Siemens、Witmetaal、NMRCCorkSn-3.8Ag-0.7Cu(-0.5Sb)良好。Sn-Bi-Ag只适用于单片流焊。检讨各种表面处理、实装条件。无铅焊锡实装在现实上是可行的。1996~1999BRITE-EUTAMprojectIntegrityofLead-FreeSolderIVF、Promosol、Volvo、ABBAutomationProducts、Ericsson生产性、破坏机构、信赖性Multiクライアント型projectHelsinkiUniversityofTechnology新合金的探索Lead-FreeSolderProgramITRI调查无铅焊锡所有项目1991~现在DTI所支持、实施的Lead-Free计划肇始于1991年，这亦是呼应美国1990