电子焊料的无铅化进程
一、铅的危害及实施无铅化的必要性与可行性
在软钎焊的发展过程中，锡铅合金一直是最优质的、廉价的焊接材料，无论是焊接质量还是焊后的可靠性都能够达到使用要求；但是，随着人类环保意识的加强，“铅”及其化合物对人体的危害及对环境的污染，越来越被人类所重视。
美国环境保护署(EPA)将铅及其化合物定性为17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一，铅右通过渗入地下水系统而进入动物或人类的食物链；在日常工作中，人体可通过皮肤吸收、呼吸、进食等吸收铅或其化合物，当这些物质在人体内达到一定量时，会影响体内蛋白质的正常合成，破坏中枢神经，造成神经和再生系统紊乱、呆滞、贫血、智力下降、高血压甚至不孕等症状；铅中毒属重金属中毒，在人体内它还有不可排泄、并且会逐渐积累的问题。美国职业安全与健康管理署(OSHA)标准：成人血液中铅含量应低于50mg/dl，儿童血液中铅含量应低于30mg/dl。
中国已加入WTO，中国市场已经逐步与国际市场接轨；为了提高自身产品的适应能力，及出口时避免上述不必要的麻烦，国内厂商应加强产品无铅化的意识，尽快地适应国际市场的要求，不要走在别人的后面，否则产品将失去一定的竞争力，在日趋激烈的国际竞争中处于下风；在我国沿海开放地区的外资厂居多，其中上规模的国际大公司也不少，这些外资公司已经注意到了无铅化的必要性，有些公司已将无铅化提入公司改进日程。
绿色环保产品是新世纪的主流，但是无铅化是否可行呢？这个问题要从技术、成本以及无铅焊料与目前软钎焊设备的兼容性等多个角度去解答。首先从技术上来讲，无铅化已得到了多个国家的重视，好多国家设有无铅焊料研发的专门机构，这些研发机构以及软钎焊料生产厂商，都已经研发出多种无铅焊料，且有相当一部分被实验证明是可以替代锡铅焊料的产品，（具体的无铅焊料种类及其特性本文第五要点有详细介绍）；从成本角度考虑，目前所开发出的无铅焊料成本一般的在锡铅合金价格的2~3倍左右，据粗略统计，所用焊料的费用不超过产品总成本的0.1%左右，所以不会对产品的总体成本造成太大的影响；就设备而言，目前也有适应无铅焊料的波峰焊及再流焊设备出厂，但是，众多无铅焊料研发机构及生产商仍在不断努力改进无铅焊料本身的质量参数，以适应客户目前的现有设备。
综上所述，纵观世界潮流、与目前无铅化的进程表明，无铅化是完全必要的也是可行的。
二、无铅焊料发展进程
1991和1993年：美国参议院提出将电子焊料中铅含量控制在0.1%以下的要求，遭到美国工业界强烈反对而夭折；
1991年起NEMI, NCMS, NIST, DIT, NPL, PCIF, ITRI, JIEP等组织相继开展无铅焊料的专题研究，耗资超过 2000万美元，目前仍在继续；
1998年日本修订家用电子产品再生法，驱使企业界开发无铅电子产品；
1998年10月日本松夏公司第一款批量生产的无铅电子产品问世；
2000年6月：美国IPC Lead-Free Roadmap 第4版发表，建议美国企业界于2001年推出无铅化电子产品，2004年实现全面无铅化；
2000年8月：日本 JEITA Lead-Free Roadmap 1.3 版发表，建议日本企业界于2003年实现标准化无铅电子组装；
2002年1月欧盟 Lead-Free Roadmap1.0 版发表，根据问卷调查结果向业界提供关于无铅化的重要统计资料；
欧盟议会和欧盟理事会
2003年3月，中国信息产业部拟定《电子信息产品生产污染防治管理办法》，提议自
三、软钎焊行业对无铅焊料的要求
无铅焊料首先要能够真正满足环保要求，不能把铅去除了，又添加了新的有毒或有害的物质；要确保无铅焊料的可焊性及焊后的可靠性，并要考虑到客户所承受的成本等众多问题。概括起来讲，无铅焊料应尽量满足以下这些要求：
1、无铅焊料的熔点要低，尽可能地接近63/37锡铅合金的共晶温度
2、无铅焊料要有良好的润湿性；一般情况下，再流焊时焊料在液相线以上停留的时间为30~90秒，波峰焊时被焊接组件管脚及线路板基板面与锡液波峰接触的时间为4秒左右，使用无铅焊料以后，要保证在以上时间范围内焊料能表现出良好的润湿性能，以保证优质的焊接效果；
3、焊接后的导电及导热率都要与63/37锡铅合金焊料相接近；
4、焊点的抗拉强度、韧性、延展性及抗蠕变性能都要与锡铅合金的性能相差不多；
5、成本尽可能的降低；目前，能控制在锡铅合金的1.5~2倍，是比较理想的价位；
6、所开发的无铅焊料在使用过程中，与线路板的铜基、或线路板所镀的无铅焊料、以及元器件管脚或其表面的无铅焊料及其它金属镀层间，有良好的钎合性能；
7、新开发的无铅焊料尽量与各类助焊剂相匹配，并且兼容性要尽可能的强；既能够在活性松香树脂型助焊剂（RA）的支持下工作，也能够适用温和型、弱活性松香焊剂（RMA）或不含松香树脂的免清洗助焊剂才是以后的发展趋势；
8、焊接后对焊点的检验、返修要容易；
9、所选用原材料能够满足长期的充分供应；
10、与目前所用的设备工艺相兼容，在不更换设备的状况下可以工作。
四、无铅化进程中所涉及的相关行业及其协作关系
在无铅化的推广与导入过程中，不可避免地会与多个行业领域产生或多或少的关系，这就要求相关行业之间要互相协作，统一目标、统一标准；避免重复的、相互牵制的工作，这样会影响无铅化的推广与导入；这其中所涉及的相关行业及其之间的相互协作关系如下：
1、电子制造业厂商：
电子制造厂商是无铅焊料的使用厂商，是无铅化最重要的执行对象，也是无铅化推广的终端；这些厂商应根据自身产品及客户对象等状况，去决定何时去导入无铅化制程，以及如何导入等问题；一旦确定要实施产品无铅化，就应该配合原材料供货商及客户，把无铅化的导入作为一个改造或改进方案提上公司工作日程（相关导入制程请参考本文第七点相关论述）。电子制造厂商是否重视无铅化进程，是否能够与其它相关行业有效地配合等，都会影响到无铅焊料的推广与最终的实施、普及。
所以，电子制造厂商将在无铅化的推广进程中起着决定性的作用。
2、电子元器件厂商：
电子元器件厂商既是无铅化的推动者，同时也是无铅焊料的使用厂商，这类厂商本来也属电子制造厂商，但同时作为元器件的生产商又有其特殊性，所以把它单列出来，与电子制造厂商区别来讲。生产元器件管脚需要镀锡的厂商，如：二极管、变压器、线圈等产品时，应该选择无铅焊料去作镀层，以适应无铅化的要求；另外，需要使用钎焊材料来完成焊接的元器件厂商，更要重视无铅焊料的问题，如：陶瓷电容器等厂商，在无铅焊料推广使用初期，焊接时的工作温度比起以前有所提高，如何避免在经过高温焊接时，电容器或其它元器件内的钎焊料不受高温影响也是应该早作考虑的问题。
电子元器件制造商，应与客户沟通协调，另外应询求无铅焊料生产厂商的配合，在无铅化进程中起到应有的支持作用。
3、线路板制造厂商：
线路板制造厂商在无铅化的进程中，也应与其它相关行业保持良好的协作关系；实行无铅化后，要求这些厂商无论是单面板的镀锡或是多层板热风整平时的喷锡，都应选择无铅焊料作业；另外，在线路板表面防氧化层的物质选择上，也应考虑这些物质与各种无铅焊料的钎合性能问题，耐温要提高。
这些厂商在无铅化的进程中，同电子元器件的生产厂商一样，既是无铅焊料的使用者，也是无铅化推进过程中的关键一环，对无铅化的进程起到不可忽视的支持作用。
4、软钎焊料生产厂商：
软钎焊料生产厂商应该定位在无铅化进程中的核心位置，从研发试验，到无铅焊料的交付使用，都应起到主导的作用；在无铅化的进程中，焊料生产厂商所应做的工作最多，在与其它各行业的协调过程中也起着关键的决定性作用。
目前，对此类厂商的要求是：尽快地开发出经济、实用的无铅焊料产品，并且在无铅焊料推广初期，应首先掌握无铅化的推广与导入技术；此类厂商应与电子元器件生产商、电子制造厂商、线路板生产厂商以及设备生产厂商、无钎焊料专业研发机构做好协调工作，避免重复的开发、研制工作。
另外，在此类生产厂商内部，应首先加强行销人员的无铅化专业知识，以便更好地指导客户、服务市场，把无铅化的推广与导入工作做好、做细。
5、软钎焊用设备制造商：
此类厂商在目前的环境下，应充分掌握无铅焊料的研发动态，并充分了解电子制造业的工艺、制程的发展动态，以协助解决无铅焊料在使用中所存在的各种相关问题；
对此类厂商的基本要求是：充分掌握无铅焊料的发展动态及特性，另外一点就是反应一定要快，能够时时满足客户各方面的要求。
6、无铅焊料的专业研发机构：
无铅焊料专业研发机构在无铅化进程的初期，对无铅焊料的研发起到了重要的推动作用，促使了无铅焊料的新品不断产生，相关技术含量不断提升，对无铅焊料的推广与导入提供了一定的技术保障。
此类机构应与焊料生产厂商协调配合，不断把最新的实验成果，通过焊料生产厂商推向市场，做实用化试验，以加快无铅化进程。
五、目前所开发的无铅焊料种类及其品质、成本之评估
在无铅焊料的开发初期，大多焊料厂商存在较严重的误区，有人认为把锡铅合金中的铅除去就是无铅焊料了，其实那只是纯锡，而不是无铅焊料，纯锡的抗拉强度、延展性、抗蠕变性能等都要比锡铅合金差得多；所以在去除铅的成份以后，必须找到一种或几种能够从性能、成本等角度代替铅的金属元素。新的无铅焊料必须与63/37锡铅合金的各种性能相接近。
美国国家生产科学研究所(NCMS)通过筛选得到了7种无铅焊料并在此基础上，进行了实用性和可靠性二次评审，最后推荐了三种合金供选择。（见表一）
表一：美国用于表面安装推荐的三种无铅焊料合金
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合金种类 |
熔融温度 |
适用范围 |
|
Sn-58Bi |
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家用电器、携带式电话 |
|
Sn-3.4Ag-4.8Bi |
205~ |
家用电器、携带式电话、宇宙航空、汽车 |
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Sn-3.5Ag-0.5Cu |
|
家用电器、携带式电话、宇宙航空、汽车 |
在日本，日本电子工业振兴协会（JEITA）组织评定了无铅焊料。表二为JEIDA组织评定的过渡期可用的合金。
表二、JEIDA组织评定的可用的合金
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系别 |
合 金 |
再流焊（R） 波峰焊（F） |
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Sn-Ag |
Sn-3.5Ag-0.75Cu |
R F |
|
Sn-Ag-Cu |
Sn-3Ag-0.7Cu |
F |
|
Sn-Ag-Bi |
Sn-2Ag-3Bi-0.75Cu |
R |
|
Sn-2Ag-4Bi-0.5Cu-0.1Ge |
R | |
|
Sn-3.5Ag-5Bi-0.7Cu |
R | |
|
Sn-3.5Ag-6Bi |
R | |
|
Sn-Bi |
Sn-1Ag-57Bi |
R |
2、无铅焊料的种类及特性
从各国相关组织推荐的各种无铅焊料及各大公司试用的状况总结，目前过渡期无铅焊料可分为下述4类，见下表：
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种类 |
共晶比 |
共晶点 ( |
特 点 | |
|
缺 点 |
优 点 | |||
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Sn-Ag |
Sn-3.5Ag |
221 |
中高温系,延展性/润温性比Sn-Pb差 |
较强的一致性和可重复制造性,并已在电子业界应用多年,一直保持很好的可靠性;用于回流焊/波峰焊/手工焊焊接; |
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Sn-Cu |
Sn-0.7Cu |
227 |
抗拉强度延展性比 Sn-Pb差 |
成本低/可应用于波峰焊/手工焊 |
|
Sn-Bi |
Sn-58Bi |
138 |
Bi资源有限,熔点太低,机械强度较差,易虚焊 |
熔点低,抗热疲劳性好 |
|
Sn-Zn |
Sn-9Zn |
199 |
易氧化/易腐蚀/润湿性 很差 |
机械性能较好,较接近Sn-37Pb，中温系 |
ICP备案号:浙ICP备10205574号