电子产品的无铅化组装技术(1)

电子产品的无铅化组装技术一、环保与铅二、无铅化焊料三、无铅化电子组装技术概述四、无铅化波峰焊接工艺五、无铅化手工焊接工艺六、无铅化回流焊接工艺七、无铅电子产品的长期可靠性八、无铅制程的导入九、绿色设计电子产品的无铅化组装技术一、环保与铅1.铅的毒性铅是一种可以在人体内累积的有毒金属元素，人体吸收过量会导致铅中毒，少量吸收也会影响人的认识能力，甚至损伤人的神经系统。铅已经被是国际癌症研究协会（IARC）列为2B级的危险物质，即可能有致癌性。铅的具体危害如下：a．对肾脏具有损伤b．胎儿或发育期儿童，受铅中毒将严重损害其智力发育及神经系统c．儿童血液中的铅含量过高，将会阻碍血红蛋白的合成，导致贫血d．血液中的铅含量过高将导致低智商e.对人体的血液系统、中枢神经系统、肾、再生系统和免疫系统具有毒副作用f.对人体的中枢神经系统造成严重危害2.铅的危害途径随着信息时代的到来，电子产品层出不穷，这些电子产品在造福人类的同时，也日益污染人类的身体健康和生态环境,这是因为传统的电子产品中都含有各种有害物质，难于解决的问题在于产品废弃时如何处理其中的有害物。电子产品中的铅高度分散在元件芯片、引脚镀层、PCB保护层、元件焊点等上面，这给回收造成很大困难。目前在处理废弃电子产品时，在拆分到印制板级别时，通常做法是作为工业垃圾埋入地下，但随着酸雨的浸蚀，埋入地下的工业垃圾在弱酸环境下，其中的铅会析出并溶入地下水，昀终造成饮用水污染。3.铅在电子产品中的应用使用铅及其化合物的主要工业产品如右表所列，全世界每年的铅消耗量已经由1970年的450万吨增加到2000年的700万吨，其中80%以上用于蓄电池行业，电子产品中使用的铅约占总消耗量的0.5%。全球每年废弃的电子产品数目庞大，以日本为例，1995年的官方数据表明，每年废弃的家用电器超过2000万台，以每台含铅约10克计算，当年电子产品的无铅化组装技术废弃的铅就高达200万吨。若在制造电子产品时，不使用含铅的有害物质，那么在废弃时就不会对环境造成污染和危害，因此，无铅化电子组装开始得到广泛重视。4.无铅法规为了更好的维护人类赖以生存的生活环境，避免人类的身体健康遭受危害，实现社会经济的可持续发展，许多国家纷纷制定适合自己的环保政策，对其生产和进口的电子产品进行环保限制，特别是限制使用以铅为首的有害物质。欧盟于2003年在第L37期《官方公报》上公布了欧洲议会和欧盟部长理事会2003年1月27日共同批准的《报废电子电气设备指令》（简称WEEE指令）和《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》（简称RoHS指令），以降低电子设备所含有害物质对环境的影响。其中RoHS指令(RestrictionsontheuseofHazardousSubstances)也被称为“无铅指令”，该指令要求在2006年7月1日之后在欧盟市场上销售的新电子电器产品一律不得超标含有以铅为首的6种有害物质。中国于2004年出台了《电子信息产品污染防治管理办法》，内容与欧盟版RoHS内容大体相同，其不同之处在于所限制的设备种类要少一些，并准备与其同步实施。5.WEEE和RoHS对生产商的要求针对ROHS指令要求，重新审视产品设计，寻找元器件的替代品及供应商，更新产品文件，并为将来遇到的审查提供产品符合性的报告。引入绿色设计概念，编制符合指令要求的制造工艺，确认设备、工具的需求，寻找辅助材料的替代品。电子产品的无铅化组装技术二、无铅化焊料1.无铅焊料1.1传统锡铅Sn-Pb焊料的特点传统焊料一般都为锡和铅组成的合金，纯锡的熔点是232℃，纯铅的熔点是327℃，不同比例的锡和铅混合，将形成不同熔化温度的焊料，当由锡63％和铅37％组成时，形成的合金被称为共晶合金，这种焊锡的熔点是183℃，目前广泛应用于电子行业。铅在锡铅焊料中的作用有以下几点：a．形成共晶合金，降低熔点b．有效降低合金的表面张力，促进浸润和铺展c．有效抑制锡的相变，防止锡瘟的产生1.2无铅焊料的定义我们所说的无铅焊料，并不是指焊料中百分之百无铅，因为世界上不存在100%纯度的金属。所以，无铅焊料实际是指焊料中铅含量的上限问题，ISO9453、JISZ3282、RoHS指令均要求铅的含量控制在0.1Wt%以下。当然，无铅焊料毕竟是用于RoHS制程的，其中的铅、汞、镉、六价铬等元素的含量也必须是符合指令要求。2.可能的无铅焊料2.1无铅焊料的基体金属传统的锡铅Sn-Pb焊料之所以能实现良好的连接，是因为焊料中的锡Sn能与铜Cu、镍Ni、银Ag等母材形成金属间化物，进而实现可靠的连接。再加上其成本很低，货源充足，并具备理想的导电、导热性和浸润特性，所以在各种候选的无铅焊料中，仍以锡为基体金属，加入其它金属形成二元合金或多元合金构成。2.2无铅焊料的添加金属通常与锡配合使用的其它金属包括银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、锑(Sb)、铜(Cu)以及铋(Bi)。之所以选择这些材料是因为它们与锡组成合金时一般会降低熔点，得到理想的机械、电气和热性能。近几年来业界推出了一系列合金配方，对这些无铅替代方案进行评估后，备选方案有十几个，按一些技术规范的要求，可以将选择缩到一个较小的范围内。金属年产量（千吨）单价比毒性排序说明铋Bi3.310.8578可能，但全球产量有限铟In0.2487.27价格是银的3倍锌Zn76400.1086较强的氧化性和腐蚀性，易造成焊点开裂铜Cu126000.3285可能银Ag15.928.184可能，但价格较高锑Sb1380.3172毒性较大铅Pb30400.1051毒性昀大a.铟。铟可能是降低锡合金熔点的昀有效成分，同时它还具有非常良好的物理和浸润性质，但是铟非常稀有，因此大规模应用成本太高，所以含铟合金将被排除掉。电子产品的无铅化组装技术b.锌。锌的价格与铅一样便宜，全球产量巨大，同时它在降低锡合金的熔点方面也具有非常高的效率，Sn-9Zn合金的熔点为198℃，非常接近于传统的锡铅合金的熔点。就锌而言，其主要缺点是具有较强的氧化性和腐蚀性，它会与氧气迅速发生反应，形成稳定的氧化物，在波峰焊过程中，这种反应的结果是产生大量锡渣，而更严重的是所形成的稳定氧化物将导致浸润性变得非常差。另外，由于锌元素的标准电动势较低，与其他金属元素间有较大的电位差，作为阳极的锌将快速向作为阴极的焊盘金属移动，结果造成焊点机械强度下降甚至开裂。c.铋。铋在降低锡合金固相温度方面作用比较明显，但对液相温度却没有这样的效果，因此可能会造成较大的固液共存温度范围，而凝固温度范围太大将导致焊脚提升。铋具有非常好的浸润性质和较好的物理性质，但铋的主要问题是锡-铋合金遇到铅以后其形成的合金熔点会比较低，而在元件引脚或印刷电路板的焊盘上都会有铅存在，锡-铅-铋的熔点只有96℃，很容易造成焊点断裂。另外铋的供货能力可能会因铅产量受到限制而下降，因为现在铋主要还是从铅的副产品中提炼出来，如果限制使用铅，则铋的产量将会大大减少。尽管我们也能通过直接开采获取铋，但这样成本会比较高。基于这些原因，铋合金也被排除在外。3.实用的无铅焊料3.1产业化对无铅焊锡的要求从产业化角度出发，对实用的无铅焊料提出了如下要求：a.所使用的金属必须有充足的储藏量。金属名称价格比全球储量（KT）全球年产量（KT）可用年数主要出产国锡1.0770021036中国、印度尼西亚、秘鲁铅0.164000304021澳大利亚、中国、加拿大铝0.2021800000113500190澳大利亚、牙买加、几内亚锑0.3210013815中国、俄罗斯、玻利维亚铋0.91103.333秘鲁、中国、玻利维亚、铜0.63400001260027智利、美国、印度尼西亚金1655421.823南非、俄罗斯、美国铟902.60.2410中国、法国、加拿大银3028015.918墨西哥、美国、秘鲁锌0.1190000764025加拿大澳大利亚、中国b.相对价格低。在选择焊料这种用量极大的物料时，用户对其成本是相当敏感的，我们希望无铅焊锡的低成本越低越好，不幸的是现有的无铅焊料都比Sn-37Pb高出至少一半以上。多数公司都愿意选择标准合金系统而不愿选专用系统，标准合金的供货能力强，在价格会比较有优势，而专用合金的供应渠道则可能受到限制，因此材料价格会大幅提高。而在制作焊锡膏时，由于技术成本在总体制造成本中所占比例相对较高，所以对焊料的价格还不那么敏感。c.良好物理性能。能够形成可靠焊点，没有氧化物掺杂，焊接孔隙极小。耐高低温冲击特性、热疲劳性能优异。机械强度、拉伸度都必须能够提供可靠性，而且不会在通孔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)。d.良好的导电性。要求无铅焊锡具有足够的电导率，以避免电信号在焊点上的损耗，这是电子连接的基本要求。电子产品的无铅化组装技术e.浸润性。具良好的浸润性，以形成良好的焊点。f.低熔点。一般希望尽量接近传统的锡铅焊料的熔点，这样可以基本沿用原来的设备及工艺，对元器件的要求也变得较为宽松。考虑到波峰焊接机的技术特点，我们要求液相温度应低于炉温260℃；另外考虑到电烙铁的可操作性，手工焊接用焊锡丝的液相温度应低于345℃的烙铁头工作温度，焊锡膏的液相温度应低于回流焊温度250℃。g.低毒性。合金及其成分必须相对无危害，没有潜在环境问题，毒性等级较低。所以此项要求将镉、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，因而又将铋排除在外，因为铋主要来源于铅提炼的副产品。h.无铅焊锡必须易于回收。i.较小固液共存温度范围。非共晶合金会在介于液相温度和固相温度之间的某一温度范围内凝固，大多数冶金专家建议将此温度范围控制在10℃以内，以便形成良好的焊点，减少缺陷。如果合金凝固温度范围较宽，则有可能会发生焊点开裂，使产品过早失效。j.具有良好的可焊性。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浸润度，能够与常规免清洗焊剂一起使用。由于对波峰进行惰性处理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性环境的使用条件要求；但就SMT回流焊而言，合金昀好要具备在空气下进行回流焊的能力，因为对回流焊炉进行惰性处理成本较高。k.高度稳定性。生产可重复性/熔点一致性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都保持较高的水平，无铅焊料必须适合大批量重复制造，者其熔点在批量生产时不会有较大变化。我们知道焊锡的成分越复杂，其发生变化的可能性就越大。3种以上成分构成的合金往往会发生分离或成分变化，使得熔点不能保持稳定。l.焊点外观。焊点的外观应与锡铅焊料接近，虽然这并非技术性要求，但却是接受和实施替代方案的实际需要。3.2实用的无铅焊料围绕无铅焊料的研究工作，目前已经有几百种无铅焊料的成分配比推出。在欧洲、美国、日本的多数公司都认为昀好的替代合金将是那些焊接温度高于现有锡铅合金的材料，目前行业内的共同评价是：具备产业化实用价值的无铅锡料主要有Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu三种合金。对于浸焊、波峰焊的应用，目前行业内均普遍选用Sn-Cu系二元无铅焊料，其中以Sn-0.7Cu应用昀广，主要因素如下：a.由于替代铅元素的各元素的熔点差别很大，因此，选用二元合金可以更容易的形成均匀的显微组织。b.Sn-Cu系二元无铅焊料是具备共晶成分的焊料合金，其综合焊接效果昀佳。c.Sn-Cu焊料没有专利问题的限制，并且其实用性已被广泛证实。d.在候选的无铅焊料中，Sn-Cu焊料的成本昀低。对于回流焊接，一般选用Sn-Ag或Sn-Ag-Cu系无铅焊料，因为受电子元件耐热性能的限制，回流焊的峰值温度一般不能超过250℃，而无铅焊料的高熔点，就造成无铅回流焊的工艺窗口很窄，选用Sn-Ag或Sn-Ag-Cu系的无铅焊料，其熔点比Sn-Cu焊料低6℃左右，这有利于扩大工艺窗口，提高焊接质量。电子产品的无铅化组装技术3.3无铅焊料的专利对于二元无铅焊料合金，没有任何专利问题，因为相关的二元合金的相图、金属学组织与成分等问题均被深入研究，其成果已广为人知。对于三元或多元无铅焊料，美国、日本、韩国、欧盟等的相关专