Sn-Bi系列低温无铅焊料及其发展趋势

摘要：对国内外无铅焊料的发展情况进行了综述，总结了微电子行业的高、中、低温无铅焊料的应用技术领域，详细介绍了Sn-Bi系低温无铅焊料的发展及其物理化学性能，并从市场的角度分析了该系无铅焊料的发展趋势及市场前景。

关键词：无铅焊料；低温焊料；锡－铋合金；发展趋势

Low Temperature Lead-free Solder and Its Developing Tendency

Xu-jun, Hu-qiang, He hui-jun, Zhang fu-wen

(Beijing COMPO Solder Co., Ltd.；General Research Institute for

Non-ferrous Metals)

Abstract: This paper reviews the development of lead-free solder, and also summarized several main lead-free solders and their applying field. It introduces some low temperature solders and analyzes the physical & chemical property of Sn-Bi system solder in particularly. Further more, the developing requirement and tendency of Sn-Bi system low melting point Pb-free solder is analyzed from the market point.

Keywords: Lead-free solder；low temperature solder；Sn-Bi alloy；Development tendency

0 前言

锡铅焊料历史悠久，但随着对铅毒性的认知和电子工业发展对焊点的高要求，无铅焊料已逐渐取代了传统锡铅焊料。

当前业界较为认可的无铅焊料以Sn-Ag-Cu为代表，因为其容易获得、技术问题相对也较少，且与传统焊料相容性较好，可靠性较高。然而应用Sn-Ag-Cu 系焊料完全替代含铅焊料并不现实，除了合金成本因素外，其最致命的弱点是合金熔点比原来Sn-Pb焊料高，导致组装温度上升。在波峰焊过程中，只要管理好锡浴和反应状态，确保润湿尚可；但在回流焊焊接中，焊料熔点的上升对工艺温度影响很大。随着电子产品的轻薄短小化发展，回流焊应用比例日益提高，Sn-

Ag-Cu系共晶温度为217 ℃相比Sn-Pb共晶焊料的熔点183 ℃高34 ℃，如果从器件被限制的组装温度上限为240 ℃来看，Sn-Ag-Cu系的封装工艺窗口比传统的Sn-Pb窄60%。这就意味着对焊接设备、焊接工艺、电子元件及基板材料的

耐温性能等一系列系统化工程提出了严峻的挑战。此外，LED、LCD、散热器、高频头、防雷元件、火警报警器、温控元件、空调安全保护器、柔性板等热敏电子元器件加热温度不宜高，以及进行多层次多组件的分步焊接时均需要低温焊接，不能使用Sn-Ag-Cu等高熔点焊料。

更重要的是由于目前无铅焊料的高能耗会造成CO2排放引起温室效应等一系列

环境破坏。因此，有人甚至呼吁不要实施无铅化，回归使用原来的含铅焊料。然而历史不会倒流，强烈期待在发展中、低温焊料时取得突破，以实现在低温条件能够组装的无铅焊接[1～6]。

1 微电子行业无铅焊料的分类及应用

钎料（亦称焊料）按熔化温度的不同分两大类，一类是熔化温度高于450 ℃的

硬钎料，另一类为熔化温度低于450 ℃的软钎料，也有将钎料按熔化温度不同

分为高、中、低温钎料，而微电子行业焊料实际上属于低温钎料领域。实用化微

电子无铅焊料行业内部按熔点范围通常亦分为高、中、低温无铅焊料，表1为无铅焊料的分类表[3,5～9]。

表1、无铅焊料的分类

2 Sn-Bi系无铅焊料的发展

低温焊料具有20多年的应用历史，其主要特点是能够在183 ℃以下进行焊接，因此对元件的适应性强，节约能耗、降低污染排放。目前的低温焊料主要有Sn-Bi 系和Sn-In系两种，由于In是一种稀缺昂贵金属，使得Sn-In焊料应用受限，因此二元合金Sn-Bi（尤其SnBi58）常被使用在低温焊接需求的场合。文献[9]显示，Sn-Bi系焊料在较宽的温度范围内与Sn-Pb有相同的弹性模量，并且Bi 的很多物理化学特性与Pb相似，Bi的使用可以降低熔点、减少表面张力，Bi

的加入降低了Sn与Cu的反应速度，所以有较好的润湿性；此外Sn-Bi系焊料含有较低的Sn含量，从而降低了高锡风险（如锡须）。但铋也带来其他的问题，包括其成分对合金机械特性的影响变化较大，容易产生低熔点问题（偏锡后会形成低熔点共晶），界面层不稳定导致可靠性较差，特别是Sn-Bi焊料在偏离共晶成分时由于熔程较大，在凝固过程中易出现枝晶偏析和组织粗大化，加之应力不平衡导致易剥离危害，以及自然供应不多、储量有限等，这使得Sn-Bi系焊料的研究和使用一直低靡。

日本是较早研究Sn-Bi系焊料的国家[10-12]，也公开了一系列专利申请，如：2-70033，5-228685和8-132277，然而由于这些专利成分中都含有Ag，增加了战备资源Ag的消耗，也增加了焊料的成本。典型的摩托罗拉专利合金SnBi57Ag1，尽管其在力性和可靠性方面比Sn-Bi 共晶型大幅提高，成本上不符和电子产品的节约型发展方向；Fuji电子公司申请的美国专利6,156,132以及新推出的SnBi35Ag1低温焊料也含有1%贵金属Ag，导致成本翻倍；Bi资源的有限性和Ag材料的高成本使得低Bi含量的节银（或无银）焊料急待开发。美国专利US Patent 6,180,264公开的Sn-Bi-Cu组分（含有0.1%～2.0%的Cu，1.0%～7.5%的Bi），排除了Ag的使用，但其Bi含量太低对拉低焊料熔点的作用有限，这就不可避免的存在焊接时对电子元器件的冲击损害大、对容器和设备的腐蚀，焊接和熔炼能耗大、锡渣产量高等问题。北京有色金属研究总院、北京康普锡威焊料有限公司近年公布的无银亚共晶低温Sn-Bi-Cu(SBC3005)焊料在性能上比Sn-Bi共晶有较大提高，而成本低于Sn- Bi共晶，至此再次掀起对Sn-Bi系焊料研究的狂潮。

3 Sn-Bi系无铅焊料的性能

3.1 物理性能[13-17]

Sn-Bi系焊料能在139 ℃～232 ℃宽熔点范围内形成，其熔点最接近SnPb37合金，因而工艺兼容性最好，Sn-Bi共晶焊料的熔点仅为139 ℃，在160 ℃左右低温就可进行组装。而且作为表面组装用的焊料在100℃的温度范围所做的温度循环试验，也表现出优异的特性。尽管Bi呈硬脆性而希望改善其延展性，但在受冲击力小和变形速度慢的领域，它似乎成了具有超塑性的延展性材料。McCormack和Jin等根据Sn-Bi系焊料的机械特性与变形速度特别依赖的特性发展了一种有效控制变形速率的方法。他们在Sn-Bi共晶合金中加入Fe粒子弥散相，细化和稳定了微观结构，得到了比Sn-Bi和Sn-Pb共晶合金强得多的抗蠕变能力。除了外加第二相粒子外，原位合金化反应生成第二相弥散粒子也是提高Sn-Bi系无铅焊料性能的有效方法，McCormack等报导了在Sn-Bi合金中参入约0.5%的Ag可明显改善其拉伸性能，主要是因为在焊料内部形成了Ag-Sn金属间化合物（Ag3Sn）。北京有色金属研究总院研究发现在Sn-Bi焊料中加入少量的Cu具有同样的作用，他们在Sn-Bi亚共晶合金基础上添加Cu元素，使焊料基体中原位反应形成细小弥散的 Cu6Sn5金属间化合物，从而提高了焊点的结合性能和使用可靠性，并且发现由于Sn-Bi-Cu焊料中减少了电阻率高的Bi元素含量，大幅提高了焊料的导电、导热性，这可以有效缓解焊点在使用过程中发热疲劳失效问题。表2列举了几种低温无铅焊料的物理性能比较[16]。

Sn-Bi焊料的焊点组织结构和性能受时效的影响较大，Lawrenle E.Felton等研究了Sn-Bi58.5合金时效对显微组织及剪切强度的影响，发现经80 ℃恒温时效后焊点界面层明显增厚，同时剪切性能下降。Mei和Morris考察了Sn-Bi共晶焊料接头的疲劳特性，发现应力幅在起始循环中基本保持不变，随后以越来越快的速度下降直到为零。Tomlinson研究了Sn-Bi共晶焊料接头与黄铜接头的特性，发现其等温疲劳寿命大大短于Cu接头的，可能是黄铜接头中的Zn使接头变化之故。Glazer总结和比较了以前文献中Sn-Bi和Sn-Pb共晶合金的室温疲劳数据，发现Sn-Bi共晶合金在较大的切变应力下其抗疲劳性能次于Sn-Pb共晶合金，但在较小的应力下，它们的抗疲劳能力相当。

表2 几种低温无铅焊料的部分物理性能比较

3.2 润湿性与界面[9,19-21]

润湿性是焊料的重要指标，牵涉到焊料/基板的界面相互作用。Cu是电子工业中的主要焊接对象，因而焊料与Cu的相互作用被广泛研究，Sn-Bi/Cu间会产生Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物（IMC）。

北京大学张启运等研究发现无铅焊料的润湿性普遍较差的原因是由于现有无铅焊料的Sn含量高，造成Cu-Sn界面反应剧烈，从而抑制液态焊料的铺展，Sn- Bi 焊料由于Bi不参与界面反应使得润湿性较好，但由于Bi的易氧化特性部分的降低了其润湿性能。Felton等研究了在Sn-Bi焊料中加入Cu、 Zn、Sb等合金元素对Cu基板的铺展面积情况，分别采用水溶和免清洗焊剂，发现加入Zn会大大降低铺展面积，分析为Zn对金属间化合物形成的影响有关，而加入少量的Cu 或Sb却影响不大，这使得Sn-Bi-Cu焊料的开发成为可能。Mackay等在Sn-Bi 共晶点附近研究发现不论在松香还是在EDTA 焊剂作用下，对Cu的铺展面积基本保持一致，他们还研究了Sn-Bi共晶焊料的润湿时间，发现在EDTA焊剂作用下焊料对浸Sn的Cu表面具有最好的润湿性。Kim等比较了熔化温度在200 ?C 左右、在RMA焊剂的作用下，纯Sn、Sn-Pb共晶和Sn-Bi共晶合金分别对Cu和Pd的润湿角。Melton总结了焊接工艺参数对Sn-Bi共晶焊料润湿能力的影响，发现合金成分与基底镀层种类是影响铺展面积的主要因素，合金成分、熔焊温度、时间和气氛会直接影响润湿时间。此外，Sn-Bi系焊料与Sn-Pb镀层的制品互不相容，在焊接过程中如果受到Pb的污染则在焊接界面处容易形成Sn-Pb-Bi

低熔点共晶（96 ℃），这在凝固过程中会加剧焊点的“Fillet-Lifting”现象。

4 Sn-Bi系无铅焊料的价格走势[22,23]

Bi作为绿色环保材料的优势越来越明显，在很多领域正逐渐取代锑或镉、汞、铅等有毒元素，应用越来越广泛，全球铋的消费量每年的增长率在8%～10%左右，其中中国、日本、韩国的消费量增加比较明显，主要由氧化铋、以铋代铅的

需求推动。中国近几年铋矿产量约占全球铋矿产量的55%左右，国内2006年的产量为5570吨，2007年预计在5 850吨左右，产量相比应用的扩大和需求的不断增长供应偏紧，造成价格上涨，此外由于铋是小金属，储量不足，基金和大型厂商的炒作更使得Bi的价格非正常上涨，图1为Bi价在2001年～2007年的价格走势。从中可以看出铋的价格从2001年开始到2006年7月数年间变化并不大，从2006年9月开始，价格出现强劲攀升，直至2007年5月出现历年来的最高点18.25美元/磅（高低幅均价），是2006年7月4.375美元/磅的417%。预计经过短暂的回调后，铋价还将上升。而相比Sn材料由于储量较大，价格稳定得多。因此从材料成本讲高铋含量的Sn-Bi共晶焊料发展将受到限制，而亚共晶（或偏晶）的Sn-Bi合金将看好。

图1 Bi价在2001年-2007年的价格走势

5 结论

电子焊料的无铅化已成为不可逆转的潮流，电子产品的不断发展，电子元器件分工的不断细化，使得某一种无铅焊料完全替代含Pb焊料变得不现实，多样化、具有不同功能用途分工的特种焊料将成为无铅焊料的发展趋势。银价的上涨使得含银焊料市场竞争力下降，尽管低银（或微银）含量的Sn- Ag-Cu系列合金已经开始得到部分应用，但由于其焊接工艺条件要求更高，综合成本高，并且节能减排的要求也使得Sn-Ag-Cu焊料的市场会越来越小。而含Bi量高达58%的Sn-Bi 共晶焊料的力学性能不佳、熔点过低，较高温度应用场合又不适宜、热疲劳性能不佳，并且受到储量的限制，市场也会越来越小。

相比之下，新型的具有较高可靠性和工艺良率的中、低温无铅焊料必将崛起，其中Sn-Bi-Cu系焊料的问世为低Bi含量的Sn-Bi亚共晶系焊料的开发提供了新思路。此外，世界上Bi大量储备在中国，更奠定了Sn-Bi系焊料在中国的发展前景。所以Sn-Bi焊料特别是在中国必将有走强趋势，而其合金化和焊接工艺的快速凝固以及专用焊剂的匹配研究也将成为其发展方向和热点。

电子封装用无铅焊料的最新进展

１　引言 一直以来，铅锡合金作为电子工业的主要封接材料，在电子部件装配上占主导地位。然而铅及铅化合物属剧毒物质，对人体及牲畜具有极大的毒性。尤其是近年来随着人们环保意识的增强和对于自身健康的关注，铅污染越来越受到人们的重视。 ２００３年７月１３日，欧盟正式颁布ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令，并明确要求其所有成员国必须在２００４年８月１３日以前将此指导法令纳入其法律条文中。该法令严格要求在电子信息产品中不得含有铅、汞、镉（ｃａｄｍｉｕｍ）、六价铬（ｈｅｘａｖａｌｅｎｔ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ），多溴联苯（ｐｏｌｙｂｒｏｏｍｉｎａｔｅｄ　ｂｉｐｈｅｎｙｌｓ　ＰＢＢ）及多溴二苯醚（ｐｏｌｙｂｒｏｍｉｎａｔｅｄ　ｄｉｐｈｅｎｙｌｓ　ｅｔｈｅｒｓＰＢＤＥ）。 严格的禁铅条例使电子封装产业对无铅焊接提出了更高的要求，已经成熟的锡铅焊料必须被性能相近或更高的无铅焊料所替代。但在工艺方法上，无铅焊料还存在很多缺点和不足，急需解决。 目前，国内关于无铅焊料和无铅钎料的专利共有６９条，从中可以看出我国自己的专利申请速度在不断加快。多数专利是在主要元素基础上，通过添加微量元素来改善焊料的性能，但有的专利由于组元太多，在生产中会产生困难。同时，尽管现在有很多专利，但是这些专利范围的成分还没有达到最佳性能，不能满足所有要求。 ２　无铅焊料的三大弱点 自欧盟颁布ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令以来，世界各国 电子封装用无铅焊料的最新进展 黄卓１，张力平２，陈群星２，田民波１ （１．清华大学　材料科学与工程系，北京　１０００８４；　２．振华亚太高新电子材料有限公司，贵州　贵阳　５５００１８） 摘要：随着ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令的颁布，电子封装行业对于无铅焊接提出了更高的要求。根据国际上对无铅焊料的最新研究进展提出了无铅焊料“三大候选”的概念。总结了目前无铅焊料尚存的三大主要弱点，并对国际上推荐使用的几种无铅焊料的优缺点进行了概述。 关键词：无铅焊料；候选焊料；熔点；稳定性 中图分类号：ＴＮ３０５．９４ 文献标识码：　Ａ 文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００６）１１－０８１５－０４ Ｒｅｃｅｎｔ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｌｅａｄ－Ｆｒｅｅ　Ｓｏｌｄｅｒ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ＨＵＡＮＧ　Ｚｈｕｏ１，　ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ－ｐｉｎｇ２，　ＣＨＥＮ　Ｑｕｎ－ｘｉｎｇ２，　ＴＩＡＮ　Ｍｉｎ－ｂｏ１（１．　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　，　Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，　Ｃｈｉｎａ；　２．　ＺｈｅｎｈｕａＡｓｉａ－Ｐａｃｉｆｉｃ　Ｈｉｇｈ－Ｔｅｃｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ，　Ｇｕｉｙａｎｇ　５５００１８，　Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｓｓｕｅ　ｏｆ　ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ，　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐａｃｋａｇｉｎｇ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｒａｉｓｅｄ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ　ｊｏｉｎｔｉｎｇ．　Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｓ　ｏｆ　ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ　ｓｏｌｄｅｒ　ｗｅｒｅ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｆｏｒｗａｒｄａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　Ｔｈｒｅｅ　ｍａｉｎ　ｗｅａｋｎｅｓｓｅｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ　ｓｏｌｄｅｒ　ｂｅｉｎｇ　ｕｓｅｄｎｏｗａｄａｙｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，　ａｎｄ　ａ　ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ　ｓｏｌｄｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｍａｄｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ　ｓｏｌｄｅｒ；　ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ　ｓｏｌｄｅｒ；　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ；　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ 基金项目：国家“８６３”计划引导项目（２００２ＡＡ００１０１３） Se mi con duc to r Tec hno log y Vo l. 31 No. 11 No ve mbe r 2006815

关于焊接方法中无铅锡问题与对策

关于焊接方法中无铅锡问题与对策 随着产品小型化，高密度实装基板、微细间距部品、多层基板开发的急速发展，伴随着锡丝的无铅化、锡焊接自身就变得更困难了，因此必须重新研究焊接方法。 在SMT再流焊的附加焊接工程及局部焊接的领域，微细化程度 高且多种多样的手工焊与机器人的无铅锡焊接技术的确立也成了当务之急。 1 研究目的 关于无铅锡焊接，我们想就焊接机器人与手工焊的锡焊接方法中面临的问题、具体分析其原因、从对现场有帮助务实的观点出发介绍无铅锡焊接的对策：①锡丝飞溅对策；②漏焊、短接等的对策；③ 烙铁头氧化及助焊剂碳化的防止；④烙铁头寿命的延长；⑤对产品的热影响。 实验中使用的共晶锡丝为 UXE-51《Sn-Ag3-Cu0．5》。 UXE-21《Sn60-Pb40》、无铅锡丝为 2 研究内容 2 ．1 焊接温度的上升与锡球、助焊剂的飞溅 往高温的烙铁头上供给含助焊剂的锡丝（以后简称：锡丝），则锡丝中的助焊剂会因受热膨胀而破裂。这造成锡丝飞溅的原因之一。众所周知，跟以前的共晶锡丝相比，无铅锡丝的溶点高。然而，锡丝中所含有的助焊剂会因为温度的升高而导致其活性降低的问题尚未受到重视。可以认为如果按无铅锡丝的溶点来提高烙铁头温度，助焊剂的活性反而会降低而失去作业性。（注：开发用于焊接机器人的含助焊剂的锡丝即使在高温下也不会失去活性力，比用于手工焊的锡丝在

一定程度更具有耐热性。） 通常，烙铁头温度多被设定在 320?340C上下，比锡丝的溶点高150C 左右。此时，锡丝的温度若与室温一致视为25C，那么两者的 温度差则为300C以上。如果烙铁头温度设定为400C，温度差就变得更大，对锡丝的热冲击也就更大。我们做了以下实验，把烙铁头温度分别设定为320C和400C,往烙铁头上送同量的锡丝，观察锡球、助焊剂等飞溅程度。其结果如图1、图2所示。经观察，烙铁头温度设定为400C，飞溅很明显地增加。由此可知，高温时的热冲击是造成助焊剂及锡球飞溅的原因之一。 锡丝送入V形槽的方法，但是在使用无铅锡丝时锡丝会迅速硬化，所 以不能称之为万全。因此，下面我们介绍通过加热锡丝从而减轻热冲击的预热方法。图3为本公司的焊接机器人烙铁部中，通过加热器- 边加热一边送锡的照片。 阳、e蜒壮林上皆最曲倩什科熾耳 如图所示，在对锡丝进行预热的情况下，我们做了相同的飞溅实验。结果，与没有对锡丝进行预热时相比，具有很明显的差别。 比较图1与图4、图2与图5,可发现锡球、助焊剂的飞溅大量减少了。由此可知，对锡丝进行预热后的飞溅量比没有预热时明显减少。 那么，应该如何去缓和此热冲击呢?为了防止锡丝的飞溅，虽然有把 带境..；＜?i^ii 玛〕；'? i ptfr* 1 q

无铅低温锡膏系

无铅低温锡膏系列 Sn42/Bi58 一．简介 低温锡膏是设计于当今SMT生产工艺的一种免清洗型焊锡膏。采用特殊的助焊膏与氧化物含量极少的球形锡粉炼制而成。具卓越的连续印刷解像性；此外，本制品所含有的助焊膏，采用具有高信赖度的低离子性活化剂系统，使其在回焊之后的残留物极少且具有相当高的绝缘阻抗，无需清洗也能拥有极高的可靠性。另外，本公司低温锡膏系列可提供不同合金成份、不同锡粉粒径以及不同的金属含量，以满足客户不同产品及工艺的要求。 二．产品特点 1．印刷滚动性及落锡性好，对低至0.3mm间距焊盘也能完成精美的印刷（T6）； 2．连续印刷时，其粘性变化极少，钢网上的可操作寿命长，超过12小时仍不会变干，仍保持良好的印刷效果； 3．印刷后数小时仍保持原来的形状，基本无塌落，贴片元件不会产生偏移； 4．具有极佳的焊接性能，可在不同部位表现出适当的润湿性； 5．可适应不同档次焊接设备的要求，无需在充氮环境下完成焊接，在较宽的回流焊炉温范围内仍可表现良好的焊接性能。用“升温---保温式”或“逐步升温式”两类炉温设定方式均可使用； 6．焊接后残留物极少，颜色很浅且具有较大的绝缘阻抗，不会腐蚀PCB，可达到免洗的要求； 7．具有较佳的ICT测试性能，不会产生误判； 8．有针对BGA产品而设计的配方，可解决焊接BGA方面的难题。 9．可用于通孔滚轴涂布（Paste in hole）工艺。 三．技术特性 1．产品检验所采用的主要标准和方法：ANSI/J-STD-004/005/006；JIS Z 3197-86；JIS Z 3283-86；IPC-TM-650 2．锡粉合金特性 （1）

无铅焊料的疲劳特性

无铅焊料的疲劳特性 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998

无铅焊料的疲劳特性 焊料的等温疲劳试验 各类电子产品是在温度不断地变化状态下使用的，由lC 封装、印制基板、各种各样元件工作时的热涨差所引起的变动位移，其应力通常都会作用于最薄弱环节― 焊料接合部，造成热疲劳损伤。因此，进行高可靠的焊料接合部设计，首先要理解无铅焊料的等温疲劳特性。 焊料接合部的结构在硅芯片和陶瓷基板等刚性比较高的场合，例BGA ( ball grid array 等）焊球的应力松驰速度快，给接合部的最大应变是高温时的保持时间及应变控制的往返变形负荷。对QFP、PLCC等使用场合，焊料的应力松驰速度比前者慢，到达高温时是暂时性的间断变形，属应变控制与荷载控制混合形态下的往返变形负荷，然而，不管哪一种场合，应变控制的疲劳是主要的，在实验室进行上述疲劳试验时，应变控制方式是可实现的。 试件经受的负荷样式，BGA类主要是剪切应变负荷，QFP、SOP类不仅是剪切应变、是与拉伸压缩棍在一起的复合模式。在多轴应力/应变条件下，一般采用VonMises 等效应力和等效应变。对于单轴拉伸模式的等价应力/应变，可利用有限单元法等的模拟方式求得接合部疲劳破坏等效应变，用拉伸压缩模式由焊料的疲劳试验结果，来推算其疲劳寿命。

由于焊料接合部存在脆性金属化合物状的接合界面，需通过重迭接合评价反映接合界面的影响，S 焊料的拉伸疲劳试验结果和Cu 铜接合体的剪切疲劳试验结果比较由图表示（组成单位mass%、下同）图上纵坐标根据下式求得VonMises 等效应变，横坐标为疲劳寿命。由图看到，拉伸模式的疲劳试验结果与剪切模式疲劳试验结果差不多在同一条直线上，这意味着，采用VonMises 的等效应变方式，可对焊料拉伸模式疲劳结果和接合体剪切疲劳结果进行直接比较。下面说明的是利用应变控制方式对Sn-Ag 系无铅焊料铜接合体的等温疲劳试验结果。 Sn-Ag 系无铅焊料的疲劳寿命范围影响。

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无铅焊料项目 可行性研究报告 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司编制时间：https://www.sodocs.net/doc/3616428494.html, 高级工程师：高建

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目录 第一章总论 (1) 1.1项目概要 (1) 1.1.1项目名称 (1) 1.1.2项目建设单位 (1) 1.1.3项目建设性质 (1) 1.1.4项目建设地点 (1) 1.1.5项目主管部门 (1) 1.1.6项目投资规模 (2) 1.1.7项目建设规模 (2) 1.1.8项目资金来源 (3) 1.1.9项目建设期限 (3) 1.2项目建设单位介绍 (3) 1.3编制依据 (3) 1.4编制原则 (4) 1.5研究范围 (5) 1.6主要经济技术指标 (5) 1.7综合评价 (6) 第二章项目背景及必要性可行性分析 (7) 2.1项目提出背景 (7) 2.2本次建设项目发起缘由 (7) 2.3项目建设必要性分析 (7) 2.3.1促进我国无铅焊料产业快速发展的需要 (8) 2.3.2加快当地高新技术产业发展的重要举措 (8) 2.3.3满足我国的工业发展需求的需要 (8) 2.3.4符合现行产业政策及清洁生产要求 (8) 2.3.5提升企业竞争力水平，有助于企业长远战略发展的需要 (9) 2.3.6增加就业带动相关产业链发展的需要 (9) 2.3.7促进项目建设地经济发展进程的的需要 (10) 2.4项目可行性分析 (10) 2.4.1政策可行性 (10) 2.4.2市场可行性 (10) 2.4.3技术可行性 (11) 2.4.4管理可行性 (11) 2.4.5财务可行性 (11) 2.5无铅焊料项目发展概况 (12)

无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体(精)

无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体健康而发展起来的，其大致可以分为以下几个阶段： (1)无铅焊料的提出阶段 1991年和1993年，美国参议院提出“Reid Bill”，要求将电子焊料中铅含量控制在0．1％以下。由于当时所有的电子产品都离不开有铅焊料，有铅焊料发展得相当成熟，而在那时人们对生态环境的保护意识还不够，对铅对人体损伤的认识不足，因而没有受到重视。 (2)无铅焊料的发起阶段 从1991年起NEMI、NCMS、NIST、Drr、NPL、PCIF、ITRI、JIEP等组织相继开展无铅焊料的专题研究，耗资超过2 000万美元，目前仍在继续。 (3)无铅焊料的运用阶段 在1998年10月，第一款批量生产的无铅电子产品Panasonic MiniDisc MJ30问世。20世纪90年代中叶，日本和欧盟作出了相应的立法：日本规定2001年在电子工业中淘汰铅焊料，在2004一年禁止生产或销售使用有铅焊料焊接的电子生产设备；而欧美在2006年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备，但是由于无铅焊料还存在技术上的原因，有可能到2008年才能实现电子产品无铅化。 2.无铅焊料的技术要求 无铅焊料应该具备与锡铅体系焊料大体相同的特征，具体目标如下： （1）熔点低，合金共晶温度近似于Sn63/Pb37的共晶焊料相当，具有良好的润湿性；（2）机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能； （3）热传导率和导电率要与Sn63/Pb37的共晶焊料相当，具有良好的润湿性； （4）机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能； （5）要与现有的焊接设备和工艺兼容，可在不更换设备不改变现行工艺的条件下进行焊接。（6）焊接后对各焊点检修容易； （7）成本要低，所选用的材料能保证充分供应。 3.常见的无铅焊料及特性 最有可能替代Sn/Pb焊料的无毒合金是Sn为主，添加Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金属元素，通过焊料合金化来改善合金性能提高可焊性。 目前常用的无铅焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体，添加适量其它金属元素组成三元合金和多元合金。 （1）Sn-Ag系 锡银系(Sn96.5-Ag3.5)焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。它的状态图如图3.9所示，共晶温度为221℃，与单村的共晶合金状态图相比（图3.8），Ag含量超过50％的成分范围比较复杂。在75％Ag含量附近有一个纵长的区域，写着Ag3Sn，在此成分和温度区域内，Ag3Sn能够稳定地存在。仔细看可以发现，在这个Ag3Sn区域的左侧与二元共晶状态图相似。在Sn和Pb二元合金的情况下，Sn和Pb结晶彼此都能在某种程度上固溶对方的元素，然而Sn中几乎不能固溶Ag。也就是说，所形成的合金组织是由不含银的纯β-Sn 和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织。 图3.9 添加Ag所形成的Ag3Sn因为晶粒细小，对改善机械性能有很大的贡献。随着Ag含量的增加，其屈服强度和拉伸强度也相应增加。从强度方面来说，添加1-2％以上的Ag就能与Sn-Pb共晶焊锡相同或者超过它。添加3％以上的Ag，强度值显著比Sn-Pb共晶焊锡要高，但超过3.5％以后，拉伸强度相对降低。这是因为除了微细的Ag3Sn结晶以外，还形成

电子产品中的无铅焊料及其应用与发展

-　5 - 电子产品中的无铅焊料及其应用与发展 苏佳佳1,2，文建国2 （1.广东工程职业技术学院，广州 510520；2.广东工业大学，广州 510006） 摘　要：由于传统焊接技术使用的Sn-Pb 焊料中的铅会对环境造成污染而被禁止使用，近年来无铅焊料成为了研究热点。文中介绍了运用于电子产品中的无铅焊料的发展背景、特点及要求。根据应用温度不同，无铅焊料可以分为低温、中温和高温无铅焊料。文章综述了它们各自的应用特点、场合及存在的问题和发展前景。 关键词：无铅焊料；锡银合金；锡锌合金；锡铋合金 中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2007）08-0005-04 Application Feature and Development of Lead-Free Solders Used in Electronical Product SU Jia-jia 1，2 , WEN Jian-guo 2 （1. Guangdong Polytechnic College , Guangzhou 510520, China ;2. Guangdong University of technology , Guangzhou 510006, China ） Abstract: Due to the destroyed to environment, the solders of Sn-Pb which have been used in traditional welding technology are forbidden. And the lead-free solders have been extensively research in these years. In this paper, the developing-background, feature and requirement of lead-free solders which used in electronic product were introduced. According to the application temperature, the solders have three types, which are low-temperature, mid-temperature and high-temperature. And their application features, fields and existing problems were presented respectively. The development of lead-free solders was also described.Key words: lead-free solder; S n-Ag; Sn-Zn; Sn-Bi 收稿日期：2007-05-11 1 引言 焊料从发明到使用，已有几千年的历史。Sn-Pb 焊料以其优异的性能和低廉的成本，得到了广泛的使用。但是，铅及其化合物属于有毒物质，长期使用会给人类生活环境和安全带来危害。因此，限制铅使用的呼声越来越高，各个国家已积极通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用。20世纪90年代初，美国国会提出了关于铅的使用限制法案（HR2479-Lead Based Paint Hazard Abatement Trust Fund Act ，S-1347-Lead Abate-ment Trust Fund Act ，S-729-lead Exposure Reduction Act ），并由NCMS （the National Center for Manu facturing Sciences ）Lead Free Solder Project 等进行无铅焊料的研究开发活动。目前，研究替代Sn-Pb 焊料的无铅焊料主要集中在Sn-Ag 、Sn-Bi 、Sn-Zn 几种合金焊料上[1]。 2 无铅焊料的特点 理想的无铅焊料最好与原来的Sn-Pb 共晶焊料有相同或相近的性能，比如具备低熔点，能像纯金属那样在单一温度下熔融、凝固，具有与Sn-Pb 相同的熔融温度范围、良好的接合性能和浸润性等。对于

无铅焊料的热疲劳特性

无铅焊料的热疲劳特性 对无铅焊料进行热疲劳研究是最近才开始的事情，至今还没有构成完整的寿命预测模型，美国NCMS (NationalCenterforManufacturingSciences）的Lead Free solder project 曾对无铅焊料的热疲劳特性作了大量的研究。 作为焊料接合部热疲劳特性的评价方法，有通过视力对疲劳开裂的评价方法、利用电阻值变化的计测方法、或通过剥离试验对接合部剩余强度进行测定的方法等，对有框架引线类的QFP、PLCC等大多采用剥离试验求出接合部剩余强度再进行评价的方法。 图6.1-图6.4是将QFP 通过Sn-3.5Ag-x系无铅焊料组装于基板后，经热循环测试的器件与基板接合强度变化，及各个循环数的接合强度在初始强度下的减少关系（表示单位mass %）采用的QFP 试件由图6.5 表示（引线间距0.65mm、线数100）。

QFP 的引线电镀了S n-20Pb ，热循环制订二种方式，-30℃-130℃温度范围（△T-160K ）和。0℃-100 ℃温度范围（△T = l00K )，升降速度1.78K/min，保持时间10min，采用气相式温度循环试验机。接合强度使用万能精密拉伸试验机，用0.5mm / min 的十字型滑块速度将引线框对着Cu 焊区垂直方向进行拉伸，在试验次数到30 次后，再用威伯尔曲线图计算出平均拉伸强度。 各焊料接合部的初始强度，除去合金Alloy H ( Sn-7.SBi-ZBi-0.SCu）以外，其余的接合强度都在其以上或同等。Sn-3.5Ag在添加Bi 后，其接合强度有上升的趋势，在2%时其强度达到峰值，其它场合强度都表示了降低趋势，Alloy H 合金所显示的初始强度与其他合金相比是最低的。 在添加Cu 的场合，接合强度同样显示上升，到1%时，比Sn-37Pb 、Sn-3.5Ag 有更好的接合强度。分析AT = 100 K 时各合金热循环和接合强度的关系，不难看出Sn-3.5Ag、添加Cu 后的接合强度下降趋势缓慢，而添加Bi 后，不管哪种合金都随着热循环数的增加接合强度明显下降，对添加Bi比较，Sn-3.5Ag 添加Cu、其强度下降非常少，即进入1200次循环后也不出现热疲劳损伤，具极优异的热疲劳抵抗性，而添加Bi 的合金焊料、其显示的接合强度，有的比Sn-37Pb还低。由此说明，在△T=100K 温度循环下，要保证无铅焊料具Sn-37Pb 以上的热疲劳抵抗性，Bi 添加量的界限为2%。 △T=160K 与△T=100K的比较，强度跌落的斜度较大，与添加Bi 的合金比较，Sn-3.5Ag 和添加Cu 的合金热疲劳特性良好、强度下降系数与△T=100K相同。Sn-3.5Ag的热疲劳抵抗性最好，在1200次循环后强度还保持在初始强度的80%添加Bi的合金强度降低与其浓度有关、在1200次循环后其强度为初始强度的20%程度。添加Cu的合金，明显地受到热疲劳损伤，1200次循环后其强度大体上与Sn-37Pb相同。 热疲劳试验证明，在△T =160K时，特性超过目前Sn-37Pb所具热疲劳抵抗的合金有Sn-3.5Ag或添加1%Cu以下的合金焊料，从合金熔点的观点考虑，Bi的含量多对其合金性

无铅焊的发展现状和发展趋势

无铅焊技术的发展现状和发展趋势 摘要 在焊接技术的发展过程中，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。随着无铅焊接的逐步应用（这是大势所趋），越来越多的用户开始寻找合适的焊接工具与密管脚芯片返修设备。2006年7月起，进入欧盟市场的电子电气产品将禁用的有害物质包括：镉、六价铬、铅、汞、PBB（多溴联苯）和PBDE （多溴二苯醚）。我国也已制定了相应的法律法规，最后期限也是2006年7月。本文对无铅焊接技术做了主要的介绍。 关键词：焊料趋势工艺窗口设备 Abstract In the process of the development of solder alloys，tin lead has been the most high-quality，low-cost， whether the quality of welding welding materials or reliability of welding is used to achieve requirements，But，as the environmental protection consciousness， strengthen human "and" lead compounds for the harm to human body and pollution to the environment， more and more attention by humans. With the application of lead-free soldering gradually （this is inevitable）， more and more users start looking for the right tools and pipe welding equipment repair feet chips. 2006 July，into the eu market electric products will disable the harmful material include: hexavalent chromium， cadmium， lead，mercury，PBB （br） and PBDE （more spin bromine diphenyl ether）. China has formulated relevant laws and regulations， the deadline is July 2006. In order to make everyone to lead-free soldering have more understanding of lead-free soldering， this paper mainly introduces the doing.

从元素周期表认识无铅焊料的性能

从元素周期表认识无铅焊料的性能 人们对无铅焊料已做了广泛的研究，并已开发出三大系列无铅焊料（表1）。但这几大系列无铅焊料的部分性能，特别是焊接性能/润湿性、焊接温度/工艺性以及经济性等方面，尚不及SnPb焊料。考察这些元素在元素周期表中的位置，我们不难看出，为什么已开发出的无铅焊料在性能上只能部分达到SnPb焊料的水平？或者说，为什么寻找真正能与SnPb合金相同性能的物质是非常非常的困难？ 焊料合金元素在元素周期表中的位置 目前，已经开发成功的无铅焊料的合金成份，基本上由下列元素组成（图1）。元素周期表（表2）显示，这几种元素作为焊膏的合金成分几乎是“非君莫属”。 图1 无铅焊料的基本元素 SnPb合金最符合“相似相融”原则 Sn-Pb焊料几乎有了几千年的历史，至今尚无法完全取代它们，表观上与他们的物化性能有关，而最根本的原因是与Sn、Pb两元素在周期表中的位置有关，它们均是第Ⅳ主族元素，排列位置紧紧相连（Sn 在第五周期内，Pb在第六周期内），就好象同一家族内的弟兄俩一样，血脉相通，它们之间互熔性能好，合金本身不存在金属间化合物（IMC）。 但又由于Pb在元素周期表中是第82号元素位，碳族的末端，属第六周期。而Sn在元素周期表中是

第50号元素，排列在次末端，属第五周期。因为Pb的核电荷数为82，远大于核电荷为50的Sn，故通常Sn可以失去最外层的4个电子形成Sn4+离子，如SnO2，故Sn呈现出明显的金属性能，而Pb原子外层也有4个电子，但因核电荷数有82个，对最外层4个电子有大的引力，故通常Pb只能失去2个电子，形成Pb2+离子，如PbO，故Pb元素的活泼性不及Sn元素的活泼性，因此在使用SnPb焊料焊接金属Cu时，实际上只有Sn参与被焊金属Cu等的结合，而Pb不参与反应，Sn与Cu通过相互扩散的原理，形成金属间化合物Cu6Sn5，焊接学中这种扩散又称之为选择性的扩散，但微观的原因仍是由Sn、Pb元素的原子结构所决定，不同的原子结构显示出Sn的活性要高于Pb。 为何Sn仍将是焊料的基材？ 由于Pb的有害性而将被取代，然而Sn仍是作用优良的焊料基材而被利用，这是因为Sn和其它许多金属之间有良好的亲和作用，它的熔点低，无毒无公害，特别是在地球上储藏量大，价格低，因而仍是一种无法取代的焊料基材，因此所谓的无铅焊料仍是以Sn为基材的焊料，既然Sn的位置已定，从元素周期表来看，任何元素都无法代替Pb而构成类似Sn-Pb合金的焊料。 以Bi为例，Bi是除Pb以外离Sn较近元素，Bi是元素周期中排在第Ⅴ主族（氮族）元素的末位，若从周期上看，Bi排在第六周期期第15列与Pb在同一周期，但Pb排在第14列，根据上述的规律Bi与Sn 不是同族元素，并且Bi的金属性比Pb要弱，表3为Sn、Pb、Bi三者的部分物理常数。 从表3中看出，Bi的非金属性明显比Pb强，Bi是菱状晶体（类似金属晶体），具有脆性，SnBi合金的导电/导热性能不及SnPb合金，Bi与Sn有较好的互熔性，但Sn-Bi合金硬度高，延伸性低，不能拉成丝，一句话SnBi合金焊料不及SnPb合金焊料那样好。 只要将相关金属的熔点同它们与Sn构成的共晶合金比例进行比较（图1），就会发现有一个有趣的规律，即随着金属熔点的降低或者更准确地说，随着金属熔点向Sn熔点的靠近，这些金属与Sn的共晶成份的比例就明显提高（表4），这也形象地验证了“相似相融”的原则。 挑选合金配方不是改进无铅焊料性能的唯一方法 已开发出来的Sn-Zn、Sn-Ag、Sn-Cu合金等无铅焊料的部分性能，特别是焊接性能尚达不到Sn-Pb 焊料的水平，这与它们在元素周期表中的位置以及原子结构有着密切的关系。

无铅焊料的研究进展

无铅焊料的研究进展 姓名：张明康 学号：201130410367 学院: 材料科学与工程 专业：金属材料科学与工程

摘要 随着电子工业的飞速发展和人们环保意识的提高，电子封装行业对无铅焊料提出了更高的要求，本文综述了无铅焊料的研究现状，存在的问题，并重点阐述稀土元素对无铅焊料性能的影响。 关键词：无铅焊料，电子封装，稀土 ABSTRACT With the rapid development of electronic industry and the improvement of environmental awareness, electronic packaging industry, puts forward higher requirements on lead-free solder, lead-free solder was reviewed in this paper the research status, existing problems, and focus on the effect of rare earth elements on the properties of lead-free solder. Key words: Lead-free solder, electronic packaging, rare earth 1 前言 长期以来，铅锡焊料由于具有较低的熔点、良好的性价比以及已获得性，成为低温含量中最主要的焊料系列。但是由于所含铅的比例较高，给环境带来了严重的污染，近年来随着人们环保意思的增强和对健康的关注，铅的污染越来越受到人们的重视。欧盟RoHS及WEEE法令的颁布，严格要求在电子信息产品中不得含有铅等有毒元素。严格的禁铅条例使电子封装产业对无铅含量提出了更高的要求，已经成熟的锡铅焊料必须被性能相近或更高的无铅焊料所替代。世界各国都在对无铅焊料进行了大量的研究，无铅焊接技术也得到了较大的发展，但仍存在着许多问题。 2 无铅焊料的研究现状

无铅手工焊面临的问题与解决方法

无铅手工焊面临的问题与解决方法 一、无铅焊料使用时的问题点 无铅手工焊接在焊料的选择上有一定的限制，譬如Sn-Zn系合金、Sn-Bi系合金的线体成形性较困难，且合金本身易氧化。或者使用中与焊剂的反应存在问题。一般不采纳这二种无铅焊料。目前推举使用的是熔点在210～230℃ Sn-Cu系合金和Sn-Ag-Cu系合金焊料。 众所周知，由于无铅焊料的流淌性差，使焊接时的扩展性(润湿性)大大不如原来的63-37共晶焊料，其扩展性只有原来的三分之一程度。 这种性质的焊料在展开手工焊时，不仅会对应组装基板与元件，也会体现在焊接用烙铁头部，尽管作业中想提高一些焊接温度，但对改善焊料的扩展性作用是不大的。 无铅焊料的熔点，比原来的焊料要高出20～45℃，因此手工焊时必须提高烙铁头的温度，通常使用的焊接温度是焊料的熔点温度加上50℃左右较妥当。考虑到焊接用烙铁头温度会由于本身功率及头部重量而存在差异，故温度的设定要比焊接温度高100℃左右。原来63-37共晶焊料的烙铁头温度约在340℃左右，使用Sn-O.7Cu焊料时的温度约

在380℃.关于手工焊接来讲,超过350℃以上时已作为界限温度，这种状态下的焊接可加快烙铁头的损耗，在超出焊剂的活性范围时易产生焊剂的碳化，降低焊剂的活性效果，这也会成为焊接中常见的焊剂或焊料飞溅的缘故。 二、手工焊接的注意点及解决方法 由上所述，在采纳直接加热方式进行无铅手工焊时，稍不注意就会产生各种各样的问题。这些问题的发生讲明了正是由于无铅焊料所具的固有特性，使用中就容易出现不良。我们在制定焊接工艺时，能够抓住下面几个差不多要点： ①烙铁头温度的治理 ②焊接基板、部品等表面状态的治理 ③焊剂的选择、效果衡量及作用 另外，要做到良好的无铅手工焊，作为重要因素的使用工具方面，以下几个要点是必须考虑的。 2.1 使用热恢复性能优良的烙铁 在无铅手工焊场合，烙铁头的温度势必要比焊料的熔点高出20～45℃，考虑到被焊元件本身的耐热性和稳定地进行焊接操作，烙铁温度最好设定在350℃～360℃范围，这是为了执行良好的手工焊接而采纳偏低温度的一种做法。掌握的重点有以下三项： *使用热恢复性良好的烙铁。

无铅分析报告

分析报告 测试名称：焊点的可靠性分析 Testing Name：Solder joint reliability analyzing 测试机构：无铅焊接研发中心 Testing Organization：Lead-free Soldering R&D Center 报告分析人：胡强，李大乐 Report Analyzer：HU Qiang,LEE Da-le 测试日期：2004-11-6 Test Date：2004-11-6 测试板的工艺参数如表1所示 表1测试板的工艺参数 参数值 PCB材质 PCB厚度（mm） 1.6 引脚镀层 焊盘镀层 焊料牌号M705 焊料成分Sn-3.0Ag-0.5Cu 助焊剂牌号ESR-260S 助焊剂流量（ml/min） 波峰焊设备名称Suneast SAC-3JS 轨道传输速度（m/min） 1.2 预热温度（℃）130,135 锡炉温度（℃）265 冷却速度（℃/s） 5.7 通过体式显微镜对PCB焊点的表面进行观察，存在焊点表面裂纹等焊接缺陷，如图1所示。 图1焊点的表面裂纹 从图中可以看出，表面裂纹发生在焊点的弯月面位置，而且裂纹方向大部分平行于元器件引线。通过对PCB其它焊点表面裂纹的观察，基本上都存在这种方向性。通过对表面

裂纹的高倍观察，发现表面裂纹并没有延伸到焊点底部，终止于很浅的位置，如图1所示。为了更好的观察裂纹增长的长度和分析裂纹产生的原因，对焊点作截面分析，如图2所示。 图2裂纹的截面图 裂纹产生的原因是多方面的，PCB所用的材料、无铅焊料的特性、焊接工艺等因素不当都有可能产生裂纹这种焊接缺陷。 1．当PCB的线膨胀系数过大时，在冷却过程中容易产生较大的收缩量，从而容易在焊点凝固过程中产生内应力，导致裂纹的产生。 2．无铅焊料的特性是否满足要求，最好是共晶成分，特别不能受到铅的污染。另外如果无铅焊料中含有合金元素Bi，则更容易产生裂纹。 3．对于工艺因素来说，预热温度应当适中，避免波峰焊接时对PCB的热冲击，造成PCB的热变形，造成裂纹的产生，同时建议采用焊后快速冷却，可以避免裂纹的产生。 从图1和图2中分析可知，裂纹尖端比较圆滑，从而说明裂纹是在冷却过程中产生的液相裂纹，其原因是由于PCB的收缩产生向下的应力，靠近元器件引线的钎料收缩亦产生内应力，从而在焊点位置出现应力集中，当焊点局部冷却速率相对于其它位置较慢时，钎料之间的结合力相对较弱，很容易产生这种液相裂纹。 产生裂纹的最主要原因就是PCB材质，当PCB材质的线膨胀系数较大时，在焊接过程中产生较大的变形，从而很容易产生裂纹等焊接缺陷。特别是对于无铅焊接，由于预热稳定的升高和焊接温度的升高，对PCB材质的要求更高，要求更高Tg值的PCB材质，以满足无铅焊接的要求。 通过对热冲击试验板的分析，发现此种圆滑尖端的裂纹并没有扩展，从而更进一步说明了此种裂纹是在焊接过程种产生的液相裂纹。通过热冲击试验后在PCB焊点中出现了极少量的微裂纹，如图3所示。 图3热冲击中形成的微裂纹 从图中可知，此种裂纹终止于尖端，产生的原因是固态下由于内应力的作用产生的撕裂，明显不同于液相裂纹的圆滑尖端。 通过对PCB焊点的分析，无铅钎料对焊盘和元器件引线的润湿性以及通孔的填充性都

无铅焊料的新发展

无铅焊料的新发展 前言 锡铅焊料是电子组装焊接中的主要焊接材料，以其优质的性能和低廉的成本，一直被人们所重视。但众所周知铅及它的化合物是有毒物质，人类如长期接触会给生活环境和安全带来较大的危害。其中铅对儿童的危害更大，会影响其智商和正常发育。人类为避免这方面的问题，限制使用甚至禁止使用有铅焊料的呼声越来越高。最终拥有悠久历史的传统型锡铅焊料，将会逐渐被新的绿色环保型焊料所替代。如无铅汽油的广泛使用就是一个很好的范例。世界各国都纷纷开展无铅焊料的研究工作。特别是欧美、日本等一些发达国家在无铅化的研究和应用上非常重视，已经走在世界前列。二十世纪末日本已有多家知名公司相继使用无铅焊料进行批量生产。Panasonic 1998年9月就开始在批量生产盒式收录机中使用Sn-Ag-Bi(In)，还有NEC、SONY、TOSHIBA、HITACHI等公司先后用无铅焊料进行批量生产，同时都制定了全面推行无铅化的期限。 2 无铅焊料的介绍 传统锡铅焊料，它是利用Sn63Pb37为锡铅低共熔点，其共晶温度是183℃，与目前PCB的耐热性能接近，并且具有良好的可焊

性、导电性以及较低的价格等优点而得到广泛使用。无铅焊料是利用锡与其它金属如铜、铋、银等金属的合金在共晶点或非 共晶点出现的共熔现象制成的焊料。作为锡铅共晶焊料合金的替代材料，无铅焊料应该在融点、机械特性和物理特性等方面同锡铅共晶焊料合金接近，且供应材料充足，毒性弱并能在现有的设备中运用现有的工艺条件进行使用。 2.1 无铅焊料的具体要求 无铅焊料应该具备与锡铅体系焊料大体相同的特征，具体目标如下： (1)替代合金应是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉和碲，是毒性的；其它金属，如锑、铟，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。 (2)熔点应同锡铅体系焊料的熔点(183℃)接近，不应超过200℃。 (3)供应材料必须在世界范围内容易得到，数量上满足全球的需求。某些金属--如铟(Indium)和铋(Bismuth)--数量比较稀少，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。 (4)替代合金还应该是可循环再生的，如将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并且增加其成本。

无铅手工焊面临的问题与解决方法修订版

无铅手工焊面临的问题 与解决方法 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998

无铅手工焊面临的问题与解决方法 一、无铅焊料使用时的问题点 无铅手工焊接在焊料的选择上有一定的限制，譬如Sn-Zn系合金、Sn-Bi系合金的线体成形性较困难，且合金本身易氧化。或者使用中与焊剂的反应存在问题。一般不采用这二种无铅焊料。目前推荐使用的是熔点在210～230℃ Sn-Cu系合金和Sn-Ag-Cu系合金焊料。 众所周知，由于无铅焊料的流动性差，使焊接时的扩展性(润湿性)大大不如原来的63-37共晶焊料，其扩展性只有原来的三分之一程度。 这种性质的焊料在展开手工焊时，不仅会对应组装基板与元件，也会体现在焊接用烙铁头部，尽管作业中想提高一些焊接温度，但对改善焊料的扩展性作用是不大的。 无铅焊料的熔点，比原来的焊料要高出20～45℃，因此手工焊时必须提高烙铁头的温度，通常使用的焊接温度是焊料的熔点温度加上50℃左右较妥当。考虑到焊接用烙铁头温度会由于本身功率及头部重量而存在差异，故温度的设定要比焊接温度高100℃左右。原来63-37共晶焊料的烙铁头温度约在340℃左右，使用焊料时的温度约在380℃.对于手工焊接来说,超过350℃以上时已作为界限温度，这种状态下的焊接可加快烙铁头的损耗，在超出焊剂的活性范围时易产生焊剂的碳化，降低焊剂的活性效果，这也会成为焊接中常见的焊剂或焊料飞溅的原因。

二、手工焊接的注意点及解决方法 由上所述，在采用直接加热方式进行无铅手工焊时，稍不注意就会产生各种各样的问题。这些问题的发生说明了正是由于无铅焊料所具的固有特性，使用中就容易出现不良。我们在制定焊接工艺时，可以抓住下面几个基本要点： ①烙铁头温度的管理 ②焊接基板、部品等表面状态的管理 ③焊剂的选择、效果衡量及作用 另外，要做到良好的无铅手工焊，作为重要因素的使用工具方面，以下几个要点是必须考虑的。 使用热恢复性能优良的烙铁 在无铅手工焊场合，烙铁头的温度势必要比焊料的熔点高出20～45℃，考虑到被焊元件本身的耐热性和稳定地进行焊接操作，烙铁温度最好设定在350℃～360℃范围，这是为了执行良好的手工焊接而采用偏低温度的一种做法。掌握的重点有以下三项： *使用热恢复性良好的烙铁。 *使用热容量大的烙铁。 *烙铁头部的形状应该与被焊接部相符。 图一是适合于无铅手工焊接、具良好热恢复性的912型烙铁(品种号)，为了与原来性能的烙铁相比较，可以按照图二表示的温度测定方法，对图中1、4、7三个点装上传感器,用3秒钟的时间间隔，对7个点进行焊接，同时测定烙铁头温度的变化，测定结果可参阅图三。912型是热恢复性好的烙铁，907、908型是原来型号的烙铁，908比907的热容量要大。测定结果表示，在相同烙铁头温度场合的焊接部温度，用912型连续焊接的