锡铅焊锡替代材料的选择
发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:629
随着人类文明的进步，人们的环境意识正逐渐增强。保护自然环境，减少工业污染，已越来越受到人们的关注。smt（表面贴装技术）生产作为电子生产的一部分，也不可避免地存在有对环境污染的问题。目前一些发达国家的科研机构正开展相关研究，寻找解决smt生产污染问题的方法和途径，使smt生产向绿色环保方向发展。 目前在smt生产过程中普遍采用的是锡铅焊锡，其中铅的含量在40%左右。众所周知铅是有毒的金属，将会对人体和周围环境造成相当巨大的影响。为了消除铅污染，采用锡铅焊锡的替代者已势在必行,制造商们正在寻找可行的替代材料，包括无铅焊锡材料与可导电性胶。 无铅焊锡 无铅焊锡技术并不是现在才出现的。多年来，许多制造商已经在一些适当位置应用中使用了无铅合金，提供较高的熔点或满足特殊的材料要求。可是，今天无铅焊锡研究的目的是要决定哪些合金应该用来取代现在每年使用的估计50,000吨的锡-铅焊锡。取消资源丰富价格便宜的(大约每磅0.40美元)铅，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加许多。 选择用来取代铅的材料必须满足各种要求： 1、它们必须在世界范围内可得到，数量上满足全球的需求。某些金属 - 如铟(indium)和铋(bismuth) - 不能得到大的数量，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。 2、替代合金应是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉(cadmium)和碲(tellurium)，是毒性的；其它金属，如锑(antimony)，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。 3、替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型(preform)。不是所有建议的合金都可制成所有的形式，例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。 4、替代合金还应该是可循环再生的-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，并增加成本。 不是所有的替代合金都可轻易地取代现有的焊接过程。作为欧洲ideals计划一部分的研究发现，超过200种研究的合金中，不到10种无铅焊锡选择是可行的。 数量上足够满足焊锡的大量需求的元素包括，锡(sn, tin)、铜(cu, copper)、银(ag, silver)和锑(sb, antimony)。商业上可行的一些无铅焊锡的例子包括，99.3sn/0.7cu, 96.5sn/3.5ag, 95.5sn/3.8ag/0.7cu, 96.2sn/2.5ag/0.8cu/0.5sb。混合在这些替代合金内的所有这些元素具有与锡-铅焊锡不同的熔点、机械性能、熔湿特性和外观。现在工业趋向于使用接近共晶的锡银铜(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。 多数无铅合金，包括锡-银-铜，具有超过200°c的熔点 - 高于传统的锡-铅合金的大约180°c的熔点。这个升高的熔点将要求更高的焊接温度。对于元件包装和倒装芯片装配，无铅焊锡的较高熔点可能是一个关注，因为元件包装基底可能不能忍受升高的回流温度。设计者现在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的温度，以及各向异性的(anisotropic)导电性胶来取代倒装芯片和元件包装应用中的焊锡。 无铅合金的较高熔化温度可提供一些优势，比如，提高抗拉强度和更好的温度疲劳阻抗、使其适合于象汽车电子元件这样的高温应用。 电路板与元件的表面涂层也必须与无铅焊锡兼容。例如，铜表面涂层的板面上的焊接点可能在机械上和外观上都受较高的无铅焊锡的表面贴装技术(smt)回流焊接温度的影响，它可能造成锡与铜之间有害金属间化合物的形成。无铅焊锡的外观也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比传统的锡-铅焊锡缺少一点反光性)，可能要求标准品质控制程序的改变。最后，因为现在没有高含铅(high-lead-bearing)焊锡的替代品存在，所以完全的无铅装配还是不可能的。 虽然现在的助焊剂系统与锡-铅焊锡运作良好，无铅替代合金将不会在所有的板元件表面涂层上同样的表现，不会容易地熔湿(wet)以形成相同的金属间化合物焊接类型。因此可能需要改善助焊剂，提高熔湿性能，减少bga焊接中的空洞。 理想的无铅焊锡合金将提供制造商良好的电气与机械特性、良好的熔湿(wetting)能力、没有电解腐蚀的问题、可接受的价格、和现在与将来各种形式的可获得性。焊锡将使用传统的助焊剂系统，不要求使用氮气来保证有效的熔湿。 满足波峰焊接、smt和手工装配要求的无铅替代品今天都可在市场买到，虽然在元件无铅合金、电路板表面涂层兼容性、助焊剂系统开发和工艺问题上要求更多的研究。 导电胶(conductive adhesive) 导电胶是由导电粉、树脂胶粘剂、溶剂等组成的复合材料。导电性胶粘剂具有较低的固化温度，可在室温下固化，或暴露在100-150°c温度之间快速处理，这些胶对粘结温度敏感元件和在象塑料与玻璃这样的不可焊接的基板上提供电气连接是很好的。由于高度灵活性的配方，导电胶也是诸如柔性电路的装配与修理或柔性基板与连接器粘结这些应用的解决方案。 用于导电胶的导电粉必须具有良好的导电性和环境性，常用的导电粉末有银粉、铜粉、石墨粉末、炭黑及镍粉等，也常用一些复合材料如覆银铜粉，选择银微粒和覆银铜粉作为导电填料是因
随着人类文明的进步，人们的环境意识正逐渐增强。保护自然环境，减少工业污染，已越来越受到人们的关注。smt（表面贴装技术）生产作为电子生产的一部分，也不可避免地存在有对环境污染的问题。目前一些发达国家的科研机构正开展相关研究，寻找解决smt生产污染问题的方法和途径，使smt生产向绿色环保方向发展。 目前在smt生产过程中普遍采用的是锡铅焊锡，其中铅的含量在40%左右。众所周知铅是有毒的金属，将会对人体和周围环境造成相当巨大的影响。为了消除铅污染，采用锡铅焊锡的替代者已势在必行,制造商们正在寻找可行的替代材料，包括无铅焊锡材料与可导电性胶。 无铅焊锡 无铅焊锡技术并不是现在才出现的。多年来，许多制造商已经在一些适当位置应用中使用了无铅合金，提供较高的熔点或满足特殊的材料要求。可是，今天无铅焊锡研究的目的是要决定哪些合金应该用来取代现在每年使用的估计50,000吨的锡-铅焊锡。取消资源丰富价格便宜的(大约每磅0.40美元)铅，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加许多。 选择用来取代铅的材料必须满足各种要求： 1、它们必须在世界范围内可得到，数量上满足全球的需求。某些金属 - 如铟(indium)和铋(bismuth) - 不能得到大的数量，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。 2、替代合金应是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉(cadmium)和碲(tellurium)，是毒性的；其它金属，如锑(antimony)，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。 3、替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型(preform)。不是所有建议的合金都可制成所有的形式，例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。 4、替代合金还应该是可循环再生的-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，并增加成本。 不是所有的替代合金都可轻易地取代现有的焊接过程。作为欧洲ideals计划一部分的研究发现，超过200种研究的合金中，不到10种无铅焊锡选择是可行的。 数量上足够满足焊锡的大量需求的元素包括，锡(sn, tin)、铜(cu, copper)、银(ag, silver)和锑(sb, antimony)。商业上可行的一些无铅焊锡的例子包括，99.3sn/0.7cu, 96.5sn/3.5ag, 95.5sn/3.8ag/0.7cu, 96.2sn/2.5ag/0.8cu/0.5sb。混合在这些替代合金内的所有这些元素具有与锡-铅焊锡不同的熔点、机械性能、熔湿特性和外观。现在工业趋向于使用接近共晶的锡银铜(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。 多数无铅合金，包括锡-银-铜，具有超过200°c的熔点 - 高于传统的锡-铅合金的大约180°c的熔点。这个升高的熔点将要求更高的焊接温度。对于元件包装和倒装芯片装配，无铅焊锡的较高熔点可能是一个关注，因为元件包装基底可能不能忍受升高的回流温度。设计者现在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的温度，以及各向异性的(anisotropic)导电性胶来取代倒装芯片和元件包装应用中的焊锡。 无铅合金的较高熔化温度可提供一些优势，比如，提高抗拉强度和更好的温度疲劳阻抗、使其适合于象汽车电子元件这样的高温应用。 电路板与元件的表面涂层也必须与无铅焊锡兼容。例如，铜表面涂层的板面上的焊接点可能在机械上和外观上都受较高的无铅焊锡的表面贴装技术(smt)回流焊接温度的影响，它可能造成锡与铜之间有害金属间化合物的形成。无铅焊锡的外观也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比传统的锡-铅焊锡缺少一点反光性)，可能要求标准品质控制程序的改变。最后，因为现在没有高含铅(high-lead-bearing)焊锡的替代品存在，所以完全的无铅装配还是不可能的。 虽然现在的助焊剂系统与锡-铅焊锡运作良好，无铅替代合金将不会在所有的板元件表面涂层上同样的表现，不会容易地熔湿(wet)以形成相同的金属间化合物焊接类型。因此可能需要改善助焊剂，提高熔湿性能，减少bga焊接中的空洞。 理想的无铅焊锡合金将提供制造商良好的电气与机械特性、良好的熔湿(wetting)能力、没有电解腐蚀的问题、可接受的价格、和现在与将来各种形式的可获得性。焊锡将使用传统的助焊剂系统，不要求使用氮气来保证有效的熔湿。 满足波峰焊接、smt和手工装配要求的无铅替代品今天都可在市场买到，虽然在元件无铅合金、电路板表面涂层兼容性、助焊剂系统开发和工艺问题上要求更多的研究。 导电胶(conductive adhesive) 导电胶是由导电粉、树脂胶粘剂、溶剂等组成的复合材料。导电性胶粘剂具有较低的固化温度，可在室温下固化，或暴露在100-150°c温度之间快速处理，这些胶对粘结温度敏感元件和在象塑料与玻璃这样的不可焊接的基板上提供电气连接是很好的。由于高度灵活性的配方，导电胶也是诸如柔性电路的装配与修理或柔性基板与连接器粘结这些应用的解决方案。 用于导电胶的导电粉必须具有良好的导电性和环境性，常用的导电粉末有银粉、铜粉、石墨粉末、炭黑及镍粉等，也常用一些复合材料如覆银铜粉，选择银微粒和覆银铜粉作为导电填料是因
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