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无铅知识与工艺
(发表时间:2006-7-4 16:48:50  点击数:2723)

一、铅的危害及实施无铅化的必要性与可行性
在焊料的发展过程中,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。
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1月23日发布了第2002/95/EC号《关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质的指令》,在这个指令中,欧盟明确规定了六种有害物质为:“汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬(Cr)、铅(Pb)、聚溴联苯(PBB)、聚溴二苯醚(PBDE)”;并强制要求自2006年7月1日起,在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅的电子产品;(个别类型电子产品暂时除外)
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2006年7月1日起投放市场的国家重点监管目录内的电子信息产品不能含有Pb。
三、焊接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1830C,如果新产品的共晶温度只高出1830C几度应该不是很大问题,但目前尚没有能够真正推广的,并符合焊接要求的此类无铅焊料;另外,在开发出有较低共晶温度的无铅焊料以前,应尽量把无铅焊料的熔融间隔温差降下来,即尽量减小其固相线与液相线之间的温度区间,固相线温度最小为1500C,液相线温度视具体应用而定(波峰焊用锡条:2650C以下;锡丝:3750C以下;SMT用焊锡膏:2500C以下,通常要求回流焊温度应该低于225~2300C)。
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、略
五、目前所开发的无铅焊料种类及其品质、成本之评估
1、无铅焊料研发现状:
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
合金种类
熔融温度
适用范围
Sn-58Bi
1390C
家用电器、携带式电话
Sn-3.4Ag-4.8Bi
205~2100C
家用电器、携带式电话、宇宙航空、汽车
Sn-3.5Ag-0.5Cu-1In
2210C
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
           项 目
内容
系别
 
 
合  金
 
再流焊(R)
波峰焊(F)

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:
 
种类
 
共晶比
共晶点
(0C)
特   点
缺 点
优 点
 
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;
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
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




3、无铅焊料的成本评估:
合金成份(%)
成本比较倍数
Sn-37Pb(标准焊料)
1.00
Sn-0.7Cu
1.49
Sn-3.5Ag
3.20
Sn-3.5Ag-0.7Cu
3.19
Sn-3.0Ag-0.5Cu
2.87
Sn-0.7Cu-0.07 Ni
2.0
 








六、无铅焊料的推广应用过程中所需解决或应注意的相关问题
1、无铅锡丝的使用:
①、注意烙铁功率的选择,无铅焊料的熔点比锡铅合金高出许多,在不影响元器件所受热冲击的情况下,可适当把烙铁功率加大,以加快熔锡与上锡的速度;焊接温度不能低于3750C或用60W烙铁。
②、在焊后焊点的感观上,不能按以往锡铅合金的标准评判,通常的无铅焊料焊点不如锡铅合金焊点平滑、光亮,但只要能保证焊点的完全焊接及其检测时的可靠性,应属可接受范围。
七、建议电子行业无铅化的导入制程
根据企业实际状况,首先应抽调工程、品管、生技等部门相关人员,成立无铅化推行论证工作小组,然后由该工作小组制定出适合本企业的无铅焊料导入计划,以及完成该计划中每一个小节的具体时间,并发放各相关职能部门,要求企业内各部门按计划分配工作,并予以执行。
相关推广工作及导入计划内容有以下几点可供参考:
1、对相关无铅焊料的各种资料进行书面论证:
①、无铅焊料之起源:
②、无铅焊料之推动力:
③、无铅焊料之市场导向:
    (①至③可参考本文第一点相关论述)
④、无铅焊料之性能:
⑤、无铅焊料成份之选用:
⑥、无铅焊料品质之评估:
⑦、无铅焊料成本之评估:
⑧、与无铅焊料相匹配之助焊剂性能:
(④至⑧可参考本文第五、六点相关论述;以上①至⑧也要求焊料供货商协助提供相关支持;)
2、协调、选择无铅焊料供货商对具体无铅焊料产品进行评估;
(可要求无铅焊料生产厂商提供其产品配比或所含金属元素成分、焊料性能、适用的温度区线、对焊接设备的要求等方面相关资料)
3、协调各电子元器件生产商对电子元器件在无铅化进程中的适用性,及其性能论证;
(此点应包括元器件管脚镀层之无铅成份及元器件所能承受热冲击能力进行评估)
4、对线路板生产商进行线路板无铅化评估;
(此点包括线路板自身的无铅化评估,及线路板所能承受之热冲击能力评估)
5、对企业现有设备进行评估;
(可参照本文第六点相关论述,或请求设备供货商予以支持)
6、对引入无铅焊料后生产工艺之调整,以及生产工艺调整后对企业产品质量、生产效率等各方面所带来的影响进行评估;
(相关参数之调整可参照本文第五点及第六点相关论述)
7、对无铅化导入计划中所涉及到各部门,要求他们作出相应工作计划书;
8、在确定以上程序基本完成,并有理论、技术支持后,可在工程或技术部门内部做无铅焊料的应用实验;
9、对实验结果进行总结,对不足或存在明显缺陷部分进行改进,或协调相关供货商寻求技术支持;
10、将无铅焊料安排到生产线进行试用、或对部分产品进行无铅化实验;
11、在所有评估、实验完成以后,进行最终的无铅化导入程序进行总结;并编制无铅焊料使用工艺及各相关工位工作指导书。
无铅手工焊接成本
成本项目:
1.元件成本:元器件全部需符合无铅标准;
2.焊锡成本:无铅焊锡价格为有铅焊锡3倍以上;
3.焊台成本:无铅专用焊台价格为普通焊台2-10倍以上,不过为一次性投入;  
4.耗材成本:无铅用烙铁头消耗快,且价位为有铅烙铁头3-5倍以上;
5.人力资源成本:培训

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