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毕业论文之无铅焊料的可靠性
毕业设计报告（论文）报告（论文）题目：无铅焊料的可靠性作者所在系部： 作者所在专业： 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ：电子工程系 电子工艺与管理 08253 张冠宇
赵鹏 2011 年 6 月 10 日北华航天工业学
院教务处制北华航天工业学院毕业论文北华航天工业学院毕业论文摘要工业垃圾对环境的污染已成公害， 一些国家和地区已明确提出禁止和削减使用有害物 质，包括含铅焊料。20世纪90年代中叶日本和欧盟，就已经作出了相应的立法。日本规定 2001年在电子工业中淘汰铅焊料，欧盟的淘汰期为2004年，美国也在做这方面工作（2008 年全面使用无铅产品）我们国家正在进行研究和开发无铅产品，顺应时代潮流 。 电子产 品报废以后，PCB板焊料中的铅易溶于含氧的水中。污染水源，破坏环境。可溶解性使它 在人体内累积，损害神经、导致呆滞、高血压、贫血、生殖功能障碍等疾病；浓度过大， 可能致癌。珍惜生命，时代要求无铅的产品。 本文介绍了国内外对Sn-Ag，Sn-Zn，Sn-Bi，Sn-Sb 和Sn-In 系无铅焊料的发展现状 及所取得的研究成果； 列出了美国抗高温疲劳焊料研究计划筛选的七种抗热疲劳无铅焊料 合金；对焊点的一般可靠性问题及无铅焊料引入的新的可靠性问题进行了归纳和讨论。 关键词 可溶性 无铅焊料 疲劳 可靠性I北华航天工业学院毕业论文目录第 1 章 绪论 ................................................................ 1 无铅焊料的发展 .......................................................... 1 第 2 章 无铅焊料简介 ........................................................ 3 2.1 无铅焊料的技术要求 .................................................. 3 2.2 无铅焊料的状况 ...................................................... 3 第 3 章无铅焊料的优缺点分析 ................................................. 5 3.1 焊料的三大弱点 ...................................................... 5 3.1.1 润湿性差 ...................................................... 5 3.1.2 熔点高 ........................................................ 5 3.1.3 金属溶解速度快 ................................................ 5 3.2 Sn-Ag-Cu 系 ......................................................... 6 3.2.1 Sn-Ag-Cu 优点 ................................................. 6 3.2.2 Sn-Ag-Cu 缺点 ................................................. 6 3.3 Sn-Cu 系 ............................................................ 6 3.3.1 Sn-Cu 优点： .................................................. 7 3.3.2 缺点 .......................................................... 7 3.4 Sn-Zn（-Bi）系 ..................................................... 7 3.4.1 Sn-Zn 优点 .................................................... 7 3.4.2 Sn -Zn 缺点 ................................................... 8 3.5 Sn-Ag-In-Bi 系 ...................................................... 8 3.5.1 Sn-Ag-In-Bi 优点 .............................................. 8 3.5.2 缺点 .......................................................... 8 第 4 章 无铅焊料的开发与应用 ............................................... 10 4.1 无铅焊料的锡原料供应量 ............................................ 10 4.2 焊料现状与有效使用方法 ............................................ 10 4.3 其它研究课题 ...................................................... 15 第 5 章 过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题 ................................. 17 5.1 关于过渡时期无铅焊接可靠性的讨论 ...................................... 17 5.2 锡晶须问题 .................................................................................................................................. 18 5.3 空洞、裂纹及焊接面空洞或称微孔 .................................... 18 5.4 金属间化合物的脆性 ................................................ 19 5.5 机械震动失效 ...................................................... 20 5.6 热循环失效 ......................................................... 20II北华航天工业学院毕业论文5.7 电气可靠性 ........................................................ 20 5.8 无铅焊接可靠性讨论小结 ............................................ 20 5.8.1 隐蔽的缺陷使无铅产品的长期可靠性增加了不确定的因素 ........... 21 5.8.2 影响无铅产品长期可靠性的因素 ................................. 21 第 6 章无铅焊料及其可靠性的研究进展 ........................................ 22 6.1 无铅焊料及焊点的成分、组织与性能 .................................. 22 6.1.1 Sn-Ag 系合金 Sn-Ag ........................................... 22 6.1.2 Sn-Zn ........................................................ 23 6.1.3 Sn-Bi ........................................................ 24 6.1.4 Sn-Sb 系与 Sn-In ............................................. 24 6.2 无铅焊料的微电子应用与可靠性问题 .................................. 25 6.3 焊点的剪切疲劳与蠕变问题 ....................................... 25 6.3.1 电迁移（Electromigration）问题 ............................... 26 6.3.2 无铅焊料引入的新的可靠性问题 ................................. 26 第 7 章无铅技术最新动态 .................................................... 28 7.1 无铅法规正全面实施 ................................................. 28 7.2 无铅制造进展迅速 .................................................. 28 7.3 无铅系统开发任重道远 .............................................. 29 7.4 无铅焊料呈现系列化和多样化 ........................................ 29 7.5 无铅元器件正重点突破 .............................................. 30 7.6 无铅设备/工艺力求精益求精 ......................................... 30 7.7 无铅的可靠性正广泛试验 ............................................ 30 7.8 无铅凸点制备有待推广 .............................................. 30 7.9 无铅标准尚待统一 .................................................. 31 第八章 结论 .............................................................. 32 致 谢 .................................................................. 33 参考文献 .................................................................. 34III北华航天工业学院毕业论文无铅焊料的可靠性第 1 章 绪论无铅焊料的发展将金属铅用作低温焊料已有多年的历史，其优点在于铅锡合金可在较低温度下熔化， 而且铅的储量丰富、价格便宜。但随着人们环保意识日益增强，作为污染土壤和地表水的 潜在因素，业界对铅的使用限制越来越多。尽管电子行业所用的铅占不到世界铅耗量的 1%，但由于该行业所废弃的焊接件占废弃铅元素比例迅速增加，因此表面贴装业的无铅 化也成为一项迫切的课题。 90 年代初，美国率先提出了无铅工艺率并制定了一个标准来 限制产品中的铅含量， 但由于当时无铅工艺还不成熟， 加上这样做会加大厂商的制造成本， 所以标准最终未能执行。但无铅工艺的发展没有停滞，制造商正在积极讨论在材料、回流 焊温度、PCB、装配过程和检测等方面制定统一的标准。据悉，摩托罗拉今年通讯产品中 的无铅产品将占 5%以上， 2010 年全部实现无铅化； 日本电子信息技术产业协会将在 2005 年全部实现无铅化；欧洲委员会限制使用含铅产品的立法也将于 2006 年 1 月 1 日生效。 元器件的无铅电镀是贴装行业实现无铅化的首要条件， 也是贴装企业对元器件供应商 的迫切要求。 由于无铅电镀和含铅电镀的工艺基本是一样的， 故电镀的无铅化难度相比贴 装无铅化要简单一些， 关键是要选择适当的替代合金， 使镀层质量和使用性能能够满足焊 接要求。镀层质量是指电镀不产生晶须、表面光泽好、与镍层结合牢固。使用性能包括： 湿润性(润湿角、一定温度下的润湿时间)、与焊料接合强度、回流焊后的气孔、抗老化性 能等。目前比较成功的无铅电镀合金有两种：美国开发的 Ni-Sn 系统和日本开发的 Cu-Sn 系统，基本满足了上述镀层质量和使用性能要求。大量实验表明，当采用传统的铅锡焊料 时，这些新镀层的使用性能与 Pb-Sn 镀层不相上下；但当改用无铅焊料时，必须把回流焊 温度提高到 260℃才能达到 Pb-Sn 焊料在 235℃回流焊时的润湿及结合程度。 无铅焊料的选择 贴装无铅化，主要在于无铅焊料的选择及焊接工艺的调整，其中尤 以无铅焊料的选择最为关键。 选择无铅焊料的原则是：熔点尽可能低、结合强度高、化 学稳定性强。人们先后研究过许多锡基合金，概述如下： Sn-3.5Ag：是众多无铅焊料的 基础，溶点 221℃（Sn-Pb 焊料的熔点为 183℃） ，液态下表面张力大、润湿性差、强度高、 抗蠕变性强。 Sn-3.8Ag-0.7Cu：熔点 217℃，Cu 的引入不仅降低了熔点，且显著改善了 润湿性能。245℃即具有很好的润湿性，但在表面贴装时，由于大元件较大的热容量，回 流焊温度需提高到 260℃。 对有引线及无引线元件的热循环试验表明， Sn-Ag-Cu 不比 Sn-Pb 焊料差。良好的可靠性和合适的工艺参数使得该合金成为线路板贴装时的最佳无铅焊料， 美国国家电子制造联合会和诺基亚均推荐该合金为表面贴装无铅焊料。 日本推荐的则是略 经改进的 Sn-Ag-Cu-Bi 合金。 Sn-3.4Ag-4.8Bi：熔点 200~216℃，润湿性最佳，表面最亮，1北华航天工业学院毕业论文抗热疲劳及耐蠕变性与 Sn-Ag-Cu 焊料相当，强度优于 Sn-Pb。但该合金对铅极为敏感， 极少量的铅也会使其熔点降至 96℃， 当线路板暴露在 100℃以上温度下时， 焊点就会脱落。 Sn-Cu：溶点 227℃，曲服强度低，蠕变速度高，特别适于取代现在的高铅焊料（熔点大 于 300℃） ，用于倒装芯片焊接。 Sn-Zn 系列：包括 Sn-Zn 和 Sn-Ag-Zn。Sn-Zn 的低共熔 点 199℃，接近于 Sn-Pb。Zn 在空气中会迅速氧化，形成大量氧化皮，故该焊料必须在完 全无氧的环境下使用，此时其润湿性接近 Sn-Pb 焊料，但 Zn 在固态下仍易于腐蚀，从而 降低了焊料的耐腐蚀性，因此，该合金的广泛使用仍存在着无法逾越的障碍。 SMT 无铅 化的发展趋势 由于各国和地区的严格立法及表面贴装业对环境保护的重视，按欧盟要求 的时间表实现大部分元件与焊接过程的无铅化是完全有可能的。 但要彻底实现无铅化， 难 度仍然很大，因为无铅焊接的温度在 260℃以上，这对元器件和面积较小的 PCB 而言， 是可以接受的；而对面积较大的 PCB，将有可能引起变形、翘曲等。要从根本上解决这 一问题，必须改变 PCB 材料，但这绝非一朝一夕可以完成的，现在也并无迹象表明 PCB 制造商准备改变其所用材料。 另一方面，正如本文开始时所提及的，贴装行业对环境的 污染主要是由废弃造成的。因此，着重绿色产品即可回收产品的设计与开发，才能从根本 上消除电子行业对环境的污染。 从这个意义上看， 无铅化只是减少表面贴装业对环境污染 的临时措施。 .铅及其化合物会给人类生活环境和安全带来较大的危害。 电子工业中大量使用 Sn/Pb 合金焊料是造成应用污染的重要来源之一。日本首先研制出无铅焊料并应用到实际生产 中， 并从 2003 年起禁止使用美国和欧洲提出 2006 年 7 月 1 日起禁止使用。 另外特别强调 电子产品的废品回收问题。 我国一些独资和合资企业的出口产品也有了应用。 无铅焊料已 进主实用性阶段。我国目前还没有具体政策，目前铅锡合金焊膏还在继续沿用，但发展是 非常快的，加 WTO 会加速跟上世界步伐。我们应该做好准备，例如收集资料、理论学习 等。2北华航天工业学院毕业论文第 2 章 无铅焊料简介2.1 无铅焊料的技术要求⑴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；机 械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能； ⑵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； ⑶机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能； ⑷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。焊接后对各焊点检修容易； ⑸成本要低，所选用的材料能保证充分供应。2.2 无铅焊料的状况最有可能替代 Sn/Pb 焊料的元毒合金是 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。表 2-1 无铅焊料的优缺点种 类优 点 具有优良的机械性能、拉伸强度、蠕变特缺 点 熔点偏高，比 Sn-Pb 高 30-40 度润湿性差， 成本高。Sn-Ag 性及耐热老化比 Sn-Pb 共晶焊料稍差， 但不存 在延展性随时间加长而劣化的问题。 机械性能好， 拉伸强度比 Sn-Pb 共晶焊料Zn 极易氧化， 润湿性和 Sn-Zn 好， 可拉制成丝材使用； 具有良好的蠕变特性， 稳定性差，具有腐蚀性。 变形速度慢，至断裂时间长 Sn-Bi 脆，加工性差，不能加工成 近，蠕变特性好，并增大了合金的拉伸强度； 线材使用。 降低了熔点，使其与 Sn-Pb 共晶焊料接 延展性变坏，变得硬而2.3 与无铅焊接相适应的其他事项.. 元器件--要求元件体耐高温，而且无铅化。即元件的焊接端头和引出线也要采用无铅镀层。 PCB--要求 PCB 基材耐更高温度，焊后不变形，表面镀覆无铅化，与组装焊接用无铅 焊料兼容，要低成本。3北华航天工业学院毕业论文助焊剂--要开发新型的润湿性更好的助焊剂， 要与加热温度和焊接温度相匹配， 而且 要满足环保要求。 .. 焊接设备--要适应较高的焊接温度要求。 工艺--无铅焊料的印刷、贴片、焊接、清洗以及检测都是新的课题，都要适应无铅焊 料的要求。4北华航天工业学院毕业论文第 3 章 无铅焊料的优缺点分析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。3.1 焊料的三大弱点自欧盟颁布 WEEE/RoHS 法令以来， 世界各国对无铅焊料都进行了大量的研究， 无铅焊 接技术也得到了长足的发展。 但无铅焊料相对于 Sn-Pb 焊料而言仍存在三大不可忽视的弱 点。3.1.1 润湿性差焊接的浸润性不良主要表现为焊锡不扩展， 焊锡的流动性差， 焊锡没有布满整个焊盘 而缺焊。浸润性较差，带来以下几方面的不足： ⑴容易产生接合不良； ⑵为提高浸润性而对操作温度要更高； ⑶为提高浸润性而使用高活性的助焊剂，会导致焊点可靠性降低。3.1.2 熔点高无铅焊料普遍比 Sn-Pb 焊料的熔点高出 30℃以上，由此会带来：对于耐热性较差的 元器件容易造成热损伤；容易导致平面基板弯曲变形。3.1.3 金属溶解速度快金属溶解速度过快会导致以下几方面的问题。 ⑴焊池中焊料由于溶铜、溶铅容易受到污染； ⑵被焊的基体易溶入到焊料中（例如铜细丝的溶解断裂）； ⑶焊接时金属间化合物生长过剩； ⑷溶焊、回流焊的焊池材料因为金属溶解而被腐蚀，导致过早报废。5北华航天工业学院毕业论文3、推荐使用的几种无铅焊料 日本及欧盟给出了目前在几种不同焊接工艺中可替代锡铅焊料的最佳无铅焊料。3.2 Sn-Ag-Cu 系在几个候选合金系统中，Sn-Ag-Cu 系是新一代代表性焊料，并正在世界范围内推广 使用。 这种合金具有优良的物理性能和高温稳定性， 因此也成为各种无铅焊接工艺中的首 选候补焊料。以下为几种推荐使用的 Sn-Ag-Cu 焊料配比。 ⑴ Sn96.5Ag3Cu0.5（日本，JEITA 推荐）； ⑵Sn95.5Ag3.8 Cu0.7（欧盟，IDEALS 推荐）； ⑶Sn95.5Ag3.9 Cu0.6 （Sn95.5Ag4.0Cu0.5 ，美国，NEMI 推荐）。 有关无铅 Sn-Ag-Cu 合金焊料，在国内就有 14 个、美国约 22 个已授权的专利。3.2.1 Sn-Ag-Cu 优点⑴由于合金中弥散分布有微细的 Ag 3Sn 和 Cu6Sn5 等金属间化合物强化相， 因此可实 现优良的机械性能和高温稳定性； ⑵溶化温度区间（固相线和液相线的温度差）窄； ⑶Sn-Ag-Cu 焊料可以满足各种形状需要，包括焊条、焊丝、焊球等； ⑷与镀 Pb 元器件兼容较好，由溶 Pb 引起的焊点剥离情况比其他无铅焊料少。3.2.2 Sn-Ag-Cu 缺点⑴熔点比 Sn-Pb 共晶合金高，这是制约这种无铅焊料推广应用的技术瓶颈； ⑵浸润性比 Sn-Pb 焊料差。对于双面基板的组装，需要采取措施提高通孔的浸润性， 如控制波峰焊参数，采用氮气保护性气氛等都相当有效 ； ⑶熔点高，导致它与现在广泛使用的基板材料不相容，而且返修也不得不采用高温， 这将大大增加基板损坏的可能性； ⑷慢冷时焊接处容易形成孔洞。 空洞的出现与焊料本身的强度关系不大， 通过改善焊 接工艺一般在焊态可以避免，随着服役过程的热力循环，空洞逐渐发生和发展。有研究认 为，空洞的形成与焊料与导线及焊料与基板的界面状态有关。3.3 Sn-Cu 系Sn-Cu 系焊料价格便宜，从经济角度来说是不可多得的熔焊用焊剂。这种合金由于形 成 Cu6Sn 5 的微细弥散相而获得很高的初期强度， 目前是波峰焊及手工焊中推荐使用的无6北华航天工业学院毕业论文铅焊料的第二替补。但当温度超过 100℃，弥散相会变粗大。因此，Sn- Cu 焊料的热疲劳 和可靠性等还有待证实。 目前这种焊料还不宜用于高可靠要求的组装场合。 为了改善其可 靠性，可添加 Ag，Au，Ni 等第 3 元素，使组织微细化、稳定化。由于合金的熔点在 227℃ 以下，钎焊条件与传统的 Sn-Pb 相比变化不大。但由于存在基板的耐热性以及与镀 Pb 元 器件的兼容性等问题。3.3.1 Sn-Cu 优点：⑴材料价格便宜，Cu 矿产资源丰富； ⑵慢冷时焊接处表面的孔洞较少。3.3.2 缺点⑴熔融温度高。Sn-Cu 系焊料的熔融温度比 Sn- Ag-Cu 合金焊料要高出约 10℃； ⑵浸润性较 Sn-Ag-Cu 焊料差，仅限于单面基板上的熔焊等应用； ⑶耐高温性能较差； ⑷和 Cu 基体结合的界面处不平整，容易形成克根达耳孔洞； ⑸与镀 Pb 元器件兼容性差（易出现热断裂）； ⑹电镀 Sn-Cu 时，在某些基板上有可能出现晶须而在密集线路之间发生短路。3.4 Sn-Zn（-Bi）系在几种常见的无铅焊料中，Sn-Zn 共晶焊料的熔点与 Sn-Pb 焊料最为接近，因此目前 对于 Sn-Zn 焊料的研究也较为广泛。 目前在欧美等国， Sn-Zn 焊料已经实用化， 日本厂家则通过改良焊剂， 在大气中钎焊， 已达到不亚于 Sn-Pb 焊料的组装效果。 今后， 将进一步通过耐蚀性的评价等， 提高可靠性， 加以推广。Sn-Zn 系焊料与其他含 Bi 焊料同样，与 Sn-Pb 电镀层之间也存在兼容性问题。 目前，添加 3%Bi 的 Sn-Zn 合金已达到实用化，但二次返修时，会发生类似脱焊的现象。 对焊料的最佳成分组成仍需要进一步研究， 但在不降低浸润性的范围内 Bi 含量越低越好， 以提高焊接的可靠性。3.4.1 Sn-Zn 优点⑴Sn-Zn 系焊料的熔点大致在 198℃，与现在通用的 Sn-Pb 共晶焊料的熔点 183℃很 接近，两者的工艺设备可以共享； ⑵溶化温度区间（固相线和液相线的温度差）窄；7北华航天工业学院毕业论文⑶原材料价格便宜，而且矿产资源丰富； ⑷连接强度高。3.4.2 Sn -Zn 缺点⑴Zn 较活泼，容易氧化腐蚀，必须在氮气等非活性气氛中进行回流焊； ⑵浸润性极差， 这是阻碍 Sn-Zn 合金焊料应用的主要原因之一 （目前已有通过对 Sn-Zn 的合金化改性来改善其浸润性，并取得了一定效果。并已有实验证明，在乙醇-松香中加 入少量 SnCl 2 作为助焊剂可大大改善 Sn-Zn 对铜的浸润性）； ⑶Cu 基体接合部位抗高温高湿强度较弱， 原因是 Sn-Zn 焊料与 Cu 的结合界面形成很 薄的 Cu-Zn 化合物层，在 150℃时，界面反应快速进行，Cu- Zn 化合物层容易受到侵蚀穿 孔，Sn 向 Cu 中扩散，在形成 Sn-Cu 化合物层的同时产生许多空洞。3.5 Sn-Ag-In-Bi 系目前研究的无铅焊料主要是 Sn-Ag 系合金， 由于其优良的高温稳定性和可操作性而被 作为首选的替补焊料。但是熔点过高始终是 Sn-Ag 合金的一个致命弱点。而在 Sn 中添加 适量的 In 和 Bi 则可有效地降低合金熔点，并改善浸润性。但由于 Bi 是半金属，又脆又 硬，如果形成粗大的组织会使机械性能劣化。焊点的连接强度会随 Bi 添加量的增加而降 低。另外，添加过多的金属 Bi 会明显降低金属延伸率。 在 Sn-Ag 系合金中添加 In 同样能使合金的熔点降低， 而对机械性能影响较小。 合金强 度随 In 添加量的增加而逐渐提高，而蠕变性则在 In 质量分数为 3%时最好，过量或不足 都会使该性能下降。3.5.1 Sn-Ag-In-Bi 优点⑴In，Bi 可以大幅降低焊料熔点（接近 Sn-Pb 焊料）； ⑵可靠性高，连接强度高（略强于 Sn-Pb 焊料）。3.5.2 缺点⑴贵（金属 In 的价格太高）； ⑵In 的合金焊料在温度循环试验中表现出界面凹凸异常的现象； ⑶与镀 Pb 元器件兼容性差， 易由溶 Pb 引起焊点剥离。 同时对双面通孔基板使用无铅 焊料进行波峰焊时产生了焊点剥离的严重问题， Bi 含量高的合金开裂现象最为严重。8北华航天工业学院毕业论文简单分析无铅焊料通孔焊环面填锡体所发生的开裂情形，其原因应该是无铅焊料在 X，Y 方向（平行板面方向）的热膨胀系数大于基板，而基板在 Z 方向（垂直板面方向） 的热膨胀系数又大于无铅焊料， 于是在冷却收缩过程中会受到双重剪应力作用， 而导致开 裂现象的产生。9北华航天工业学院毕业论文第 4 章 无铅焊料的开发与应用4.1 无铅焊料的锡原料供应量用无铅焊料替代有铅焊料所面临的首要问题就是锡原料的供应量。 目前焊料的世界年 产量为 23 万吨，广泛用于金属连接和表面处理镀覆等方面。焊料主成分锡的世界年产量 为 21 万吨，其中 6 万吨作为焊料的原料使用。按照通常锡在焊料中占 60%计算，每年新 的焊料年产量应为 10 万吨，剩下的 13 万吨都是由残渣经再利用的焊料。 但是，无铅焊料并不能由含铅的再利用焊料来制造，所以必须用原料锡来制造。尽管 无铅焊料的密度比原来的共晶焊料轻 10%～20%，把重量减轻的因素考虑在内，但每年仍 需要 20 万吨原料来生产无铅焊料。这个数字远远超过了目前焊料原料所使用的锡量。而 且为避免铅的污染， 在焊料替换时还要用锡来冲洗铅污染的焊料槽， 所以又要用掉大量的 锡。因此，世界各国为了顺利地引入无铅焊料的应用，都必须把锡的供给量提高一倍。4.2 焊料现状与有效使用方法从多年来对无铅焊料的研究来看， 其合金成分基本上如图 4-1 所示的组合， 到目前为 止，多数研究是通过改变含量来谋求高性能的优质材料，已经发现了若干个添加元素，对 提高材料强度和连接特性有效，并有研究成果面世。图 4-1 焊料合金的组合从现在来看，在以手机和笔记本电脑为代表的高密度双面安装(HDSMT)基板上，由于 与之连接的 BGA 封装型 IC、铝电解电容和大型连接器等耐热温度低，同时受到基板特性、10北华航天工业学院毕业论文器件配置和配线图形的制约， 再加上目前的再流焊条件没有大的变化， 所以尽可能使用与 目前的熔点相近的焊料则是最理想的。因此，开发了以在锡中组合进银和铋，锌为主成分 的合金焊料。但是，这些焊料除了满足融点低外，其它特性都不好，有时甚至不能使用。 同时，还必须改进制造设备，并重新探讨连接基材的表面处理。还有，在再流焊与流动焊 混合安装基板的生产上，对于热造成基板伸缩和翘曲，导致焊接处产生的应力，必须采取 缓解措施。否则，将不能保证连接处的可靠性，并引来麻烦。 此外， 在普遍使用的焊料槽中进行流动焊和浸渍焊所使用的焊料， 如果能在现行的焊 接温度下作业就行， 即使是锡铜和锡银等熔点较高的合金， 只要能保证流动性就可以使用。 实际上， 应根据焊料应用时的可靠性和成分变动以及杂质的混入来分析特性的变化， 这是 至为重要的。当然，探讨这些内容需要一定的时间。 此外，对专利和成本的评价也不可欠缺，无论缺哪一个，都不能成为放心的永久使用 的材料。因此，大的用户在决定成分上颇为慎重，然而时间不等人，从合金成分来重新评 价无铅焊料与截止用含铅焊料的期限的进程不相符合。 所以， 开始使用的仍是那些为数很 少的有实际使用价值的焊料。 表 4-1 汇总了正在研究进展的无锡焊料，下面分别加以说明。表 4-1 典型的无铅焊料的特征合金系 锡银系 锡银铜系 锡银系 锡铋系 锡铋锑系 锡银铋铜 系 锡锌系 锡锑系名称 Sn96 Sn96Cl Sn100C Bi57 LF-B2 LF－C2 LF-A 95A主成分 Sn/Ag Sn/Ag/Cu Sn/Cu/Ni Sn/Bi Sn/Bi/Sb 等 Sn/Ag/Bi/Cu Sn/Zn Sn/Sb熔 点 (℃) 约 221 约 217 约 227 约 139 约 144-200 约 208-213 约 199 236-243抗拉强度 100mm/min 4.7kgf/mm2 5.3kgf/mm2 3.3kgf/mm2 7.6kgf/mm2 8.2kgf/mm2扩展率 (%) 33 27 48 33 4 25 -38润湿性 (大气中) 良好 良好 良好 良好 良好 良好 gi vb 良好5.1kgf/mm2 -4.7kgf/mm21)锡银铜系(Sn96C)及锡银铋铜系(LF-C2)是通过美国某研究所检验的产品； 2)锡银系(Sn100C)在国内外 32 个国家申请专利； 3)润湿性试验使用 RMA 免清洗助焊剂。 Sn-Ag 系焊料由来已久，国外研究探讨事例很多。不仅探讨了强度与延展率均衡的高 可靠性的材料 Sn-Ag-Cu 系焊料，还主要探讨了与共晶相近的焊料成分 Sn-Ag-Bi 系焊料，11北华航天工业学院毕业论文同时还探讨了相关的再流焊技术。焊膏的特性受无铅化影响不大，现有环境下就可使用， 但必须如图 4-2 所示的再流焊曲线那样，把加热温度提高到 240℃左右。图 4-2 SC96C1 无铅再流焊曲线 (推荐)通常在再流焊的连接断面， 不知是因为焊料熔融时的粘性大， 还是因为内部产生的气 体多，总之在焊角处和连接界面发现许多的气泡（空洞）。表 4-2 所示的 SN96CI 是在 Sn-Ag-Cu 系焊料中加入少量的过渡金属，防止锡中的银和铜的偏析，减少针状结晶，从 而提高连接的可靠性。 该组合焊料在国外有相似的专利，日本企业所有的“高温焊料”专利与美国大学的所 有“锡银铜三元共晶焊料”专利，在成分组合上存在重复的权力范围，使应用陷入窘境。 尤其是在美国专利中还包含了关于连接部分的结构与组成的权力。由于哪个权力均有效， 所以若使用双方专利权均容许的焊料， 则用户才会放心， 并有可能向任一国家出售。 藉此， 形成了理智的追求与专利缘分不大的焊料合金是否存在所有权问题的局面。 由于 Sn-Cu 系焊料构成简单，供给性好且成本低，因此大量用于基板的流动焊（波峰 焊）浸渍焊， 、 适合作松脂心软焊料。 其中添加 Ni 构成的 Sn-Cu-Ni 焊料 （产品名为 SN100C） ， 在熔融时流动性得到明显改善。正如图 4-3 那样，在细间距 QFP 的 IC 流动焊中无桥接现 象，也没有无铅焊料专有的针状晶体和气孔，得到了有光泽的焊角。12北华航天工业学院毕业论文表 4-2 各共晶系无铅焊料的特性值序 号 1 2 3 4 5 6 7 8特 名称征 SPERIOR SN96CI Sn-Ag-Cu 95/3.8/1.2 约 217 约 7.4 约 220* 约 64* 5.3焊料合金 SUPERIOR SN100C Sn-Cu 99.3/0.7(Cu+Ni) 约 227 约 7.4 约 220* 约 64* 3.3 NSH63A Sn-Pb 63/37 约 183 约 8.4 约 176 约 50 4.5试验方法合金系 组成(主成分)wt% 溶解温度℃ 比得 j(25℃) 比热 J/kg.k 热传导率 J/m.s.k 抗拉试验 kgf/mm2示差热分析升 温速度 20℃/分 比重测重器 ※是推算值 ※是推算值 抗拉试验机 100mm/分 (25℃) 抗拉试验机 100mm/分(25℃9延伸率(P/d) 230℃ 扩展率 试验 (P/d) 240℃ 250℃ 260℃ 280℃ Ta 240℃约 27 77 77 77 78 -Tb Fmax Ta约 48 －－ 77 77 78 78 Tb Fmax约 25 91 92 93 93 -Ta Tb Fmax10JIS Z3197 使 用助焊剂 NS－ 828A0.72 2.10 0.213 0.37 1.46 0.213 0.23 0.81 0.192 0.21 0.48 0.192 0.151.00 4.53 0.159 0.86 2.79 0.161 0.47 1.46 0.186 0.31 0.80 0.192 0.1311润湿性 试验250℃ 260℃ 270℃0.12 0.80 0.3x3.5x25mm 全钢片为试验 0.195 片 Ta 为 0 交叉 0.11 0.64 时间(s),Tb 为 0.200 最大润湿时间 0.10 0.41 (s)，Fmax 为最 0.206 大润湿强度 N/m 0.07 0.32 0.211 0.17 四端子法 25℃12 电阻试验μ Ω m13北华航天工业学院毕业论文图 4-3 无焊桥的良好焊接图 4-4 电子器件的镀锡产品和基板的焊锡整平产品此外，焊料还有延伸性好和蠕变强度高以及电阻低的特点。尽管熔点为 227℃，但与 原来大致相同，可以在 255℃、4 秒的焊接条件下工作，安装摄像机布线基板，在世界上 成绩突出。焊接时焊料不产生气体，即使混入铅的杂质也比原共晶焊料强（见图 4-4）， 经热冲击试验可以确认焊料的抗断裂性强，焊接可靠性优异。热循环次数（次）图 4-5 混入铅对热循环的影响 图 4-6 NSe 无铅焊接循环图还有， 对焊剂的改善工作也在进行， 以便在大气中与在氮气气氮中同样可以完成在多 层或双面基板上的通孔攀升和在器件两侧的焊盘上的扩展。 对表面处理等材料的改进和基 板的设计，以及热匹配方法等生产技术的改善工作也正在进行中。除了基板组装用途外， 还将用于电子产品镀锡和用锡整平基板的产品（见图 4-5）。 该焊料一个最大优点是，作为循环型制品（见图 4-6），由于被回收的焊料气体（残 渣）中不会有银铋和锌等，因此能与有铅焊料混合，同时进行处理。这就为无铅焊料替换 时期设想回收途径减少了烦恼。 Sn-Bi 系焊料， 融点是在共晶态 139℃的低温， 强度和延伸性也比较好。 另外与 Sn-Pb 焊料同样，不形成金属间化合物，所以表面张力低，扩展性和流动性好。以前曾作为焊膏 用于再流焊中，在基材是铜的焊接中可使用的是铋，本身是铁和镍，则因根本不引起蠕变 而不能用作 42 种合金等铁系基材的连接。 Sn-Ag-Bi(Cu)系焊料随着铋含量的增加而融点变低， 焊料的延展性也得到改善。 这对 在焊盘上的扩展性差的无铅焊料来说， 具有极大的魅力。 这是考虑了铋可以缓解锡与母材 的过剩合金反应，但反过来也使连接界面变硬变脆。因此，含铋量过多的焊料不能用作14北华航天工业学院毕业论文42 种合金等铁系引脚的焊接，而且作为杂质，在含铅的场合容易引起焊角剥离现象，因 此必须引起重视。最近的研究证实，铋含量在 3%以下为宜。 Sn-Zn 系焊料是无铅焊料中唯一与锡铅共晶熔点接近的焊料， 适合用于耐热性差的电 子器件的焊接。但是，该焊料在大气中溶解时，表面将形成厚的锌的氧化膜，必须使用氮 基气氛，或使用能溶解锌氧化膜的强活性焊剂，才能确保焊接质量。由于强活性焊剂促使 焊膏的特性劣化， 所以制造商们颇费脑筋在探索解决途径。 此外还必须注意由锌的性质带 来的连接界面的举动，再作深入研究。4.3 其它研究课题按理说，进入连接处缝隙的焊料强度高则连接可靠性应该高，但实际应用中，要么发 生器件断裂，要么就是在焊料连接处发生焊角上浮，使焊盘剥离和图形断线，通孔内壁受 损等现象。 尽管原因是复杂的， 但主要是由于无铅焊料不能像有铅焊料那样可以缓解由热 循环等焊料与器件和基板的热膨胀差所产生的热应力，导致该应力破坏通孔，切断配线。 这里有必要重新评价基板的设计，目前还没有完全的解决方法。 此外在流动焊中， 与焊料接触处的铜箔和引角等一根接一根的溶入焊料中， 使焊料的成分 发生了变化。 经花费１年以上的时间进行批量生产的实验确认， 焊料已变成杂质不能再用。 例如铜在焊料中的浓度随处理铜片数而增加， 随之使焊料的流动性变坏成为桥连和焊不上 的病因。如果继续增加处理量，则在焊料槽的底部和隅角等焊料流动差的部位、喷流泵的 手柄和喷嘴等温度低的地方形成锡铜的结晶，堆积粘附，最后导致焊接停止作业。对此， 分别使用 SN1000C 和 SN1000Ce 焊料，通过抑制铜的浓度上升来使焊料成分稳定化。实施 方法参见图 4-7。图 4-7 连续使用 SH100C 与 SH100Ce 的场合铜浓度的变化焊料的杂质中即使混入少量的铅，也会成为焊角上浮、连接可靠性降低的主要原因， 也是无铅焊料的最大敌人。 加入少量的银和铋本身对特性无太大影响， 但若与铅混合加入 时则特性水劣化，所以必须注意混合污染。混入微量的锌时，由焊料表面所形成的氧化膜 产生大量的残渣， 使焊接无论如何也不能正常进行。 由于产生上述的混合污染都是在与焊15北华航天工业学院毕业论文料相连的基材和电极连接界面附近，所以，研究基材和电极的镀层材质与结构，对确保连 接可靠性是极为重要的。 无铅焊料即使是松脂心的软焊料， 其线也硬如钢丝不易卷曲。 当使用烙铁机械手自动 给线机时，有时就从导槽中掉下来了。还有焊剂的含量比原来的 3%稍微多一点则容易手 工操作。由于焊料的熔点高且扩展性差，所以希望烙铁头温度高些。但温度太过则锡粘附 在烙铁头上而立即不能使用了。与其提高温度，不如使用热容量大的烙铁更容易操作。 今后的一个大的课题就是随着焊料替代而增多的含铅焊料的废弃处理和由无铅焊料 产出的渣滓的再利用。 在有铅焊料中当混入含有银和铋、 锌等无铅焊料的渣滓时则不能再 利用。反过来，在无铅焊料中当混入有铅的渣滓时同样也不能利用，所以严格禁止相互混 合。 如果已经混合了， 则该焊料和渣滓就报废了， 或者只能用高成本的电解精炼法分解混 入的杂质来达到再利用的目的。 今后为了保护资源， 在焊料的处理上应有大规模的再利用 基础。16北华航天工业学院毕业论文第 5 章 过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题5.1 关于过渡时期无铅焊接可靠性的讨论关于无铅焊接可靠性问题是制造商和用户都十分关心的问题。 尤其是当前无铅焊接材 料、印制板、元器件、检测、可靠性等方面的标准还不完善，甚至可靠性的测试方法也没 有标准的情况下， 可靠性是非常让人们担忧的。 现阶段的无铅工艺和有铅工艺都有可能发 生可靠性问题。从形成焊点的3个要素（焊料、元器件焊端、PCB表面镀层）来看，在传统 的Sn-Sb 焊接时，焊料是Sn-Sb ，元器件焊端、PCB表面镀层大多也是Sn-Sb镀层，因此， 焊接时焊料合金与被焊接的金属之间的相容性非常好。Sn-Sb焊接已经有了近百年的应用 史，对焊点的连接强度和可靠性也有了近六十年的研究，尽管如此，理论界在焊接机理等 方面仍然有一些分歧，但从总体看，Sn-Sb焊点的电气性能、物理、化学稳定性和机械连 接可靠性等方面是能够满足当前各种电子产品要求，可以说Sn-Sb焊料是一种被大家公认 的、极为理想的电子钎焊材料。而无铅焊接在发达国家也只有十几年的应用史，对无铅焊 接的可靠性研究只有近十年的时间， 世界各国研究机构对无铅焊接机理、 对不同无铅焊料 合金与不同被焊接金属表面焊接后形成的界面合金层、 对无铅焊点可靠性等方面还没有统 一的认识，无铅焊点的长期可靠性还有待进一步研究。 焊点抗拉强度与钎缝金相组织结构以及焊接界面金属间化合物的成分与厚度有直接 的关系。虽然无铅接过程、焊接机理与Sn-37Pb基本相同。但是，由于无铅焊接中形成焊 点的3个要素：焊料、元器件焊端和PCB 表面镀层都发生了变化――不但无铅焊接的焊料 合金成分和助焊剂成分改变了、元件焊端与PCB焊盘的镀层材料也发生变化了，而且无铅 元件的焊端材料种类非常多，因此，形成焊点的3个要素之间的组合变得比较复杂了，在 同一块组装板上，尤其在焊料与元件这一侧，可能会发生多种不同的界面反应；它们形成 最佳金属间化合物的温度、时间等条件也有所差别；生成的金属间化合物的结构、厚度、 强度、可靠性也有所不同了。在同一块组装板上，如果有一个元件、甚至只有一个焊点不 相容，都可能造成整个电路的故障。 由于镀Sn的成本比较低，因此，目前无铅元件焊端采用镀Sn 工艺比较多，但镀Sn容 易形成Sn须。Sn须在窄间距的QFP等元件处容易造成短路，会影响长期可靠性；另外， Sn-Ag-Cn 焊 料 与 Cn 焊 接 时 ， 遇 到 微 量 Pb 会 发 生 偏 析 现 象 ， 容 易 引 起 焊 缝 浮 起 （Fillet-Lifting），也会影响长期可靠性。 无铅焊料是“高锡”焊料。高锡带来的问题是：高温、表面张力大、粘度大、浸润性 差、工艺窗口小等问题。因而焊点中的空洞以及界面的微孔比较多，而“高温”又会带来 工艺上的难，可能会损坏元件和印制板。这些问题都会影响无铅产品的长期可靠性。 总之，由于无铅化实施时间不长，还有许多不完善之处。目前国际上对于无铅产品、17北华航天工业学院毕业论文无铅焊点可靠性问题（包括测试方法）还在最初的研究阶段，无铅焊点的长期可靠性还存 在不确定的因素，即使完全无铅化以后，无铅焊点的长期可靠性，到目前为止国际上也还 没有完全研究清楚。高可靠产品是获得豁免的，因此，高可靠产品实施无铅工艺必须慎重 考虑长期可靠性问题。 因为铅是比较软的，容易变形，因此无铅焊点的硬度比Sn/Pb高，无铅焊点的强度也 比Sn/Pb高，无铅焊点的变形比Sn/Pb焊点小，但是这些并不等于无铅的可靠性好。由于无 铅焊料的润湿性差，因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比较多；由于熔点高，如果助焊剂 的活化温度不能配合高熔点，会影响润湿性，并直接影响界面反应和焊点界面结合强度； 另外， 由于无铅焊接温度高， 金属间化合物（IMC）的生长速度比较快，容易造成IMC过厚， 而I M C 是脆性的，容易在界面产生龟裂造成失效。 一些研究显示：在撞击、跌落测试中，用无铅焊料装配的结果比较差。非常长期的可 靠性也较不确定。据美国伟创立、Agilent等公司的可靠性试验，例如推力试验、弯曲试 验、振动试验、跌落试验，经过潮热、高低温度循环等可靠性试验结果，大体上都有一个 比较相近的结论：大多数消费类产品，例如民用、通信等领域，由于使用环境没有太大的 应力，无铅焊点的机械强度甚至比有铅的还要高；但在使用应力高的地方，例如军事、高 低温、低气压、震动等恶劣环境下，由于无铅蠕变大，因此无铅比有铅的连接可靠性差很 多。5.2 锡晶须问题晶须（Whisker）是指从金属表面生长出的细丝状、针状形单晶体，它能在固体物质 的表面生长出来，发生在S n 、Z n 、C d 、A g 等低熔点金属表面。通常发生在0.5～ 50μ m厚度很薄的金属沉积层表面。型的晶须是直径为1～10μ m，长度为1～500μ m 。在 高温和潮湿的环境里，在有应力的条件下，锡须的生长速度会加快，过长的晶须将可能导 致短路，引发电子产品可靠性问题。 由于镀Sn的成本比较低， 因此， 目前无铅元件焊端和引脚表面采用镀Sn 工艺比较多， 但镀Sn容易形成S须。 例如发生在窄间距QFP等元件引脚上的晶须容易造成短路， 对电气可 靠性存在隐患。 无铅产品锡须生长的机会和造成危害的可能性远远高于有铅产品， 会影响 电子产品的长期可靠性。 针对锡晶须问题， 业界做了许多研究， 目前已经有了一些有效抑制Sn晶须生长的措施， 例如：镀暗Sn、热处理、中间镀Ni阻挡层、镀层合金化、增加镀Sn层厚度等。5.3 空洞、裂纹及焊接面空洞或称微孔造成空洞、裂纹的原因很多，主要有以下方面因素：焊接面（P C B 焊盘与元件焊端 表面）存在浸润不良；焊料氧化；焊接界面各种材料的膨胀系数不匹配，焊点凝固时不平18北华航天工业学院毕业论文稳；再流焊温度曲线的设置未能使焊膏中的有机挥发物及水分在进入回流区前挥发。 无铅焊料是“高锡”焊料。高锡带来的问题是：高温、表面张力大、粘度大。表面张 力的增加势必会使气体在冷却阶段的外逸更困难， 气体不容易排出来， 使空洞的比例增加。 因此，无铅焊点中的气孔、空洞比较多。 另外，由于无铅焊接温度比有铅焊接高，尤其大尺寸、多层板、以及有热容量大的元 器件时，峰值温度往往要达到260℃左右，冷却凝固到室温的温差大，因此，无铅焊点的 应力也比较大， 产生焊点裂纹的几率也比有铅焊点高。 再加上无铅焊点常形成相对较脆的 金属间化合物 （IMC） IMC的热膨胀系数比较大， ， 在高温工作或强械冲击下容易产生开裂。 另一类处于焊接界面的空洞（或称微孔），这类空洞非常小，甚至只有通过扫描电子 显微镜（S E M ）才能发现。空洞的位置和分布可能会是造成电连接失效的潜在原因。特 别是功率元件空洞会使元件热阻增大，造成失效。 研究表明：焊接界面的空洞（微孔）主要是由于C u 的高溶解性造成的。由于无铅焊 料的熔点高，而且又是高Sn焊料，Cu在无铅焊接时的溶解速度比Sn-Pb焊接时高许多。无 铅焊料中铜的高溶解性会在铜与焊料的界面上产生“空洞”，随着时间的推移，这些空洞 有可能会削弱焊点的可靠性。5.4 金属间化合物的脆性焊接后要使焊点具有一定的连接强度，必须生成金属间结合（合金）层，此结合层由 共晶体、固溶体、金属间化合物的混合物组成。金属间化合物（I M C ）通常是凝固时在 焊接点的界面析出，因此，IMC位于母材（被焊金属）与钎料（焊料合金）的界面。金属 间化合物与母材以及钎料的结晶体、固溶体相比较，强度是最弱的。其原因是：金属间化 合物是脆性的，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，容易产生龟 裂造成失效。因此，钎缝中不可能没有金属间化合物，但不能太厚。过多的金属间合物对 焊点的性能是不利的。 有研究表明，无铅钎料与Sn-37Pb钎料最大的不同是：在再流焊和随后的热处理及热 时效（老化）过程中金属间化合物会进一步长大，从而影响长期可靠性。 从以上分析中可以得到一个结论：无铅焊接的温度高，金属间化合物生长速度快；在 随后的热处理（峰值温度至炉子出口的时间长）也容易增加IMC的厚度；在老化过程中金 属间化合物会进一步长大。由于金间化合物是脆性的，过厚的IMC容易造成电气和机械连 接的失效。 为了控制金属间化合物的厚度不要太厚， 设置温度曲线时应尽量考采用较低的峰值温 度和较短的峰值温。 度持续时间，同时还要缩短液相时间。因此，无铅焊接的工艺窗口非常窄。 总之，温度过低、润湿性差，影响扩散的发生，影响焊点连接强度；温度过高，金属19北华航天工业学院毕业论文间化合物过多，也会影响焊点连。5.5 机械震动失效有关实验证明：在机械震动、跌落或电路板被弯曲时，Sn-Ag-Cu焊点的失效负载还不 到Sn-Pb合金焊的一半。也就是说，如果Sn-Pb焊点震动失效的最大加速度为20g，频率为 30Hz次数， 而Sn-Ag-Cu焊点震动失效的最大加速度不到10g， 频率不到15Hz次数； 如果Sn-Pb 焊点的跌落失效高度为1.2m ，而S n - A g - C u 焊点的跌落失效高度不到0.6m。 造成无铅焊点机械震动失效的主要原因如下： 第一．脆弱的金属间化合物、空洞； 第二，由于Sn-Ag-Cu比Sn-Pb更硬而传递了更大的应力,容易在焊点和界面产生裂纹； 第三， 因更高的回流焊接温度而导致的电路板降级等因素， 使疲劳失效无法得到彻底 的控制。 近年来为了改善无铅CSP焊点的脆性， 例如手机中原来不需要底部填充的CSP也采用底 部填充技术来增其连接强度。 经过底部填充的便携电子产品的抗震动、 抗跌落强度提高了， 但也带来了返修困难，甚至无法返修的问。5.6热循环失效电子产品在加电使用过程中会发热，特别是功率元件的工作温度比较高；另外，一年 四季随着春夏秋冬的温度变化， 焊点会随时遭遇到不同的循环热应力的影响， 在有空洞及 裂纹等电气连接比较薄弱的部位会使热阻增大， 造成失效； 另外， 由于与焊点相关的材料： 例如焊点上的焊料合金、 金属间化合物、 各种元件的焊端合金 （Cu、 i等） PCB焊盘 、 （Cu） 、 陶瓷体元件、环氧树脂、玻璃纤维布等材料，以及PCB的X 、Y方向与Z方向的热膨胀系数 的差异是很大的，在温度变化时会遭受到不同程度的应力、应变，使焊点产生疲劳裂纹， 随着裂纹的扩展最终造成焊点开裂失效。这种热循环疲劳。5.7 电气可靠性通常同一块PCB要经过回流焊、波峰焊、返修等工艺。很可能形成不同的残留物，在 潮湿环境和一定电压下，可能会与导电体之间发生电化学反应，引起表面绝缘电阻（SIR） 的下降。 如果有电迁移和枝状结晶生长的出现， 将发生导线间的短路， 造成电迁移俗称 “漏 电”）的风险。 为了保证电气可靠性，需要对不同免清洗助焊剂的性能进行评估，同一块PCB要尽量 采用相同的助焊剂，或进行焊后清洗处理。5.8 无铅焊接可靠性讨论小结20北华航天工业学院毕业论文通过对焊点机械强度、锡须、空洞、裂纹、金属间化合物的脆性、机械震动失效、热 循环失效、电气可靠性7个方面的可靠性分析来看，以上任何一种失效更容易发生在焊后 就存在金属间化合物厚度过薄、过厚；焊点内部或界面存在空洞与微小裂纹；焊点润湿面 积小（元件焊端与焊盘搭接尺寸偏小）；以及焊点的微观结构、结晶颗粒大、内应力较大 的各种缺陷的焊点上。有些缺陷能够通过目视、A O I 、X-ray检查是可以检测到的，例 如焊点搭接尺寸小、处于焊点表面的气孔、较明显的裂纹等，但是，焊点的微观结构、内 应力、 内部空洞和裂纹、 特别是金属间化合物的厚度， 这些隐蔽的缺陷用肉眼是看不见的， 无论通过SMT 的人工和自动检查，都无法检测到。都需要经过一系列试验，例如温度循环、振动试 验、跌落试验、高温贮存试验、湿热试验、电迁移（E C M ）试验、高加速寿命试验和高 加速应力筛选，然后再进行电性能、机械性能（例如焊点剪切强度、抗拉强度）测试。最 后通过外观检查、 射线透视检查、 X 金相切片、 扫描电子显微镜等各种可靠性试验和分析， 才能作出判断。5.8.1 隐蔽的缺陷使无铅产品的长期可靠性增加了不确定的因素因为这些隐蔽的缺陷不容易被发现， 往往不被重视。 它们的可靠性都是随着时间的推 移、在使用过程中由于受到机械震动、跌落或电路板被弯曲；受到环境温度、工作温度的 循环热应力等因素的影响逐渐削弱的。 这些隐蔽的缺陷增加了无铅产品长期可靠性的不确 定性，因此，目前高可靠产品获得了豁免。5.8.2 影响无铅产品长期可靠性的因素以上分析中比较清楚地看出：无论是看得见的缺陷、还是隐蔽的缺陷，都是由于无铅 的高锡、高温、工艺窗口小、润湿性差、材料相容性问题，以及设计、工艺、管理等等因 素造成的。 因此， 我们必须从无铅产品的设计开始就要考虑到无铅焊接材料之间的相容性、 无铅 与设计、无铅与工艺的相容性；充分考虑散热问题；仔细地选择PCB板材、焊盘表面镀层、 元件、焊膏及助焊剂等；比有铅焊接时更加细致地进行工艺优化和工艺控制；更加严格细 致地进行物料管理。21北华航天工业学院毕业论文第6章 无铅焊料及其可靠性的研究进展长期以来近共晶Sn-Pb焊料（ 共晶成分为Sn-37Pb）以其焊接性能好，在Cu 基上的润 湿性能良好， 熔点低， 价格也较适宜而一直被广泛地运用于现代电子线路板的连接和组装 中，并在几十年的使用中积累了丰富的经验和技术。研究表明，Pb 能够在Sn-Pb 焊料中 发挥如下作用：（1）减少表面张力有利于润湿；（2）能阻止锡瘟发生，所谓锡瘟是指在 13℃以下发生由白锡（b - Sn）到灰（a - Sn）的相变，该相变将导致26%的体积膨胀； （3）促进焊料与被焊件之间快速形成键合。 虽然 有如此多的优点，但由于Pb 及其化合物的剧毒性对人类健康和生活环境的危 害，限制和禁止使用含Pb 焊料的呼声日益高涨。20 世纪90 年代后期各发达国家相继出 台了一系列的政策和法规， 限制和禁止含Pb 产品的使用， 如欧盟规定从2004 年1 月起在 微电子组装工业中，都要求使用无铅焊料；美国国会早在1986 年就通过了在供水与食品 相关的场合限制使用含Pb 钎料的法规， 自1990 年起， 美国国会已多次讨论全面禁止使用 含Pb 钎料的立法问题；日本的一些国际知名企业如松下电器和日立已研究和开发出了商 用无铅焊料。从发展趋势来看，世界各国包括我国用无铅焊料大规模取代含Pb 焊料将为 期不远。 现代微电子工业正向高性能和微型化方向发展， 电子器件的体积和焊点的尺寸越来越 小，而所需承载的力学、电学和热学负荷却越来越重，对其可靠性的要求日益提高。由于 Sn-Pb 焊料事实上还存在着性能上的缺陷，如抗蠕变性能较差，剪切强度较低等，都要求 我们不断改进焊料的性能， 使焊料的发展符合微电子工业的发展对焊料的要求， 因此研究 和开发高性能无铅焊料也是微电子产业进一步发展的需要。 本文着重介绍近年来国内外对 高性能无铅焊料成分、性能、应用及其可靠性等方面的研究进展。6．1 无铅焊料及焊点的成分、组织与性能微电子领域对使用的焊料有着很严格的性能要求,包括电学和力学性能，且必须具有 理想的熔融温度。从制造工艺和可靠性两方面考虑。6.1.1Sn-Ag 系合金Sn-AgSn-Ag 合金焊料因其力学性能和抗氧化性能优越而倍受关注，该系列相对较为成熟， 近两年来研究较为集中， 包括基础数据研究和芯片应用测试。 一些典型成分已有生产应用 Sn-Ag 二元合金的共晶成分为Sn-3.5Ag，共晶温度为221℃，高于Sn-Pb 合金的熔点。其 缺点是熔点较高，在Cu 基体上的润湿性较差，因此近年在改善Sn-Ag 焊料的润湿性和降22北华航天工业学院毕业论文低熔点方面有较多的研究。 J Zhao 等系统研究了Sn-Ag 合金的疲劳断裂生长的特征和机制， 发现Sn-3.5Ag 合金 的疲劳断裂行为与载荷频率和大小密切相关。 低频高载时蠕变作用增加， 断裂方式由穿晶 转变为沿晶。 焊点处材料不同的热膨胀系数导致的热应力及焊料相对较低的熔点， 使蠕变成了微电 子元件中焊点破坏的一个最重要因素。J Villain 等研究考察了无铅焊料Sn-3.5Ag 的焊 点尺寸对蠕变性能的影响，结果发现：焊点的尺寸对蠕变性能有很大的影响。试验表明： 体积为1.8 mm3 的小焊点的应变和应变速率比体积为785 mm3 的大焊点的应变和应变速率 要高约25 倍，微电子器件中焊点尺寸比上述“小焊点”尺寸要微小得多，并且还在微型 化发展中，这一结果值得重视。 Sn-Ag 系焊料的润湿性比Sn-Pb 的润湿性能差， 这与Ag 的表面张力较高有关。 的 Ag 表面张力0.93N/m 大于Sn 和Pb 的表面张力（分别为0.55 N/m 和0.48 N/m）。L Wang 等 的研究表明，在Sn-Ag 系焊料合金中加入质量分数为0.25%~0.5%的（La，Ce）混合稀土， 可以改进其润湿性能。 在焊料/基体界面上， Sn-Ag 合金在Cu 基体上会形成金属间化合物。 且近Cu 侧为Cu3Sn 相，近焊料侧为Cu6Sn5 相，Ag 几乎不进入金属间化合物层。当焊接 接头受到热冲击时，随热冲击周次的增加，金属间化合物的厚度也会增加。由于中间化合 物（Cu3Sn 和Cu6Sn5）本身的脆性，常常会削弱接头的力学性能。随化合物层厚度增加， 焊接接头的抗拉强度也会下降。 在 Sn-Ag 二元系中添加Cu 组成的Sn-Ag-Cu 三元共晶，熔点（217℃）比Sn-Ag 共晶 低，可靠性和可焊性更好，具有浸润性好、抗热疲劳等优点；在Sn-Ag-Cu中添加质量分数 为0.5% Sb 可以提高其抗蠕变性；添加Fe、Co 则可以细化其组织，从而进一步提高其剪 切强度。 在共晶Sn-3.5Ag 中加入质量分数为1% Zn， 可使Ag3Sn 析出相更细小弥散， 还 Zn 能抑制Sn 枝晶的形成，但会使共晶领域尺寸增大。研究还表明，在Sn-Ag 系合金中加入 活性较大的In 元素或低熔点的Bi 元素能降低Sn-Ag 系焊料的熔点，但Bi 的加入量太多 则会引起合金系脆性的增。6.1.2 Sn-Zn系合金Sn-Zn 合金的共晶成分为Sn-9Zn，熔点为198℃。Sn-Zn 系合金焊料的优点是 其熔点与Sn-Pb 焊料的熔点很接近，力学性能良好，原材料容易得到，且价格便宜。缺点 是在Cu 基体上的润湿性较Sn-Pb 焊料差， 在焊接过程中Zn 容易被氧化。 解决问题的办法 之就是发展能与之匹配的焊剂，以提高其润湿性；在焊料中加入还原性强的元素如P 等， 或在惰性气体等保护性气氛中进行焊接， 可以避免焊料被氧化。 近年来对该焊料的研究热 点主要就是集中在如何提高其润湿性和抗氧化性方面。 S Vaynman等就含Zn 焊料焊剂的问题进行了研究，指出含Sn 金属有机物的分解在Cu23北华航天工业学院毕业论文表面上能形成Sn 镀层， 从而提高Sn-Zn 焊料在Cu 基上的润湿性。 合金焊料的表面张力和 粘度对焊料合金在基体上的润湿性能有很大的影响，Zn 的表面张力（0.81 N/m）比Pb 的 表面张力（0.48 N/m）大近一倍，是Sn-Zn 焊料的润湿性比Sn-Pb 焊料差的原因之一。 Vianco 和Rejent的研究结果表明，元素Bi 的添加可以提高无铅焊料在Cu 基上的润湿性 能。 王国勇等的研究也证实了这一点。 马鑫等则通过添加In 提高Sn-9Zn在Cu 基上的铺展 润湿性能。 为了减少焊料中的 Zn 的氧化， 可以在焊料中加入还原性强的元素， 如加入P 可以在 焊料熔化时在焊料的表面形成薄膜， 从而阻碍Zn 被氧化。 松下电器公司据此开发了加P 的 Sn-Zn-Ag 基焊料专利。王国勇等发现加入一定量的（La，Ce）混合稀土也可以增强其抗 氧化性。 在 Sn-Zn 系合金中加入低熔点的 In 或 Bi 可以降低其固相线和液相线温度。 但随着 Bi 的加入， 合金的固液相间隔增大， 同时会使合金的脆性增大。 添加 Ag 可提高 Sn-Zn 合 金焊料的抗腐蚀性，在含 Ag 量不高的情况下，对焊料的熔化特性几乎无影响。6.1.3 Sn-Bi系合金Sn-Bi 合金的共晶成分为Sn-58Bi，熔点为139℃，比Sn-Pb 合金的共晶熔点 （183℃）还低，且比Sn-Pb 合金焊料具有更好的抗疲劳性能，适合于需要低温焊接的场 合。但该体系目前还存在一些问题未能完全解决。 当合金焊料冷却时，Bi 会沉积在Sn 相中。慢冷时，Sn-Bi 共晶显微结构是层状的， 使材料的性能恶化。 Wild等还观察到慢冷时Sn-Bi 焊点出现了裂纹， 研究发现这是因为慢 冷时形成了大晶粒，Sn 沿着这些大晶粒的晶界从焊料基体中析出，导致裂纹产生。在快 冷时则不产生裂纹。 还有研究报道Sn-Bi 合金再结晶时产生膨胀， 由形变引起的应变硬化 而导致焊料变脆。 在 Sn-Bi 合金焊料中添加适量的Sn-Ag 合金，可减少焊点中孔洞的出现，改善焊料 的焊接性能，同时可提高Sn-Bi 焊料的焊接温度，扩大Sn-Bi 系的适用范围。另有报道在 Sn-Bi 系合金中添加Ag 可以提高其抗伸强度和蠕变性能，配制成焊膏后具有良好的润湿 性和保存稳定性。一般而言，随合金中Bi 元素质量分数的增加，熔点降低，而耐热疲劳 性和延展性下降，加工性变差。6.1.4 Sn-Sb 系与Sn-In系合金Sn-Sb 系二元合金的共晶成分为Sn-5Sb，共晶温度为245℃，比Sn-Pb 合金的 共晶熔点高出60℃。含质量分数为4%~5％Sb、15%~25％Bi 和2%~3％Ag 的Sn 基合金系具 有较低的固液温度和较窄的固液温度区间， 有一定的润湿性和较高的抗蠕变能力， 能满足24北华航天工业学院毕业论文一些电子线路钎焊的要求。 然而Sn-Sb 系熔点偏高,且Sb 还稍具毒性， 限制了它的开发和 应用，关于该合金系的文献较少。 Sn-In 系合金的共晶成分为Sn-51In， 熔点为120℃。 Sn-In 基焊料可提供较好的热疲 劳性能和抗碱性腐蚀性能，强度高，在Cu 基上的润湿性能好，且蒸汽压低，能用于高真 空密封焊。但因In 的活性很大且储量不多，价钱又很昂贵，因而只被用于个别较特殊的 场合。6.2 无铅焊料的微电子应用与可靠性问题随着印制电路板的组装密度不断提高， 焊点接头的尺寸越来越小， 使焊点接头的服役 条件越来越严酷， 对其电学和力学性能的要求越来越高。 许多微电子设备主要是由于焊点 的失效而失去可靠性的。 印制电路板布线密度的提高要求电子元器件的外引线间距不断缩 小，使焊点在服役期间的检修也更加困难，因此确保焊点接头的可靠性显得尤其重要。 焊点可靠性问题的来源主要有焊点的剪切疲劳与蠕变致裂问题，电迁移问题，焊料/ 基体界面金属间化合物形成致裂的问题， Sn晶须生长导致短路问题， 电腐蚀和化学腐蚀问 题。 以下我们主要讨论疲劳与蠕变和电迁移这两类普遍性问题， 以及使用无铅焊料带来的 新问题。6.3 焊点的剪切疲劳与蠕变问题使用微电子元器件时， 焊点接头要频繁地承受一定的力学应力和应变， 这些应力应变 主是由于电子元器件和电路板的热膨胀系数相互不匹配造成的。 在服役过程中， 焊点接头 将不断受到周期性热冲击， 由于元器件和基体材料的热膨胀系数不匹配， 于是在每次热循 环冲击中都会产生剪切应力。由于焊料合金的熔点都相对较低，即使在室温时都满足T /Tm & 0.5（Tm:熔点，K），所以在受剪切力时，焊点还会发生高温蠕变变形。剪切疲劳和蠕变单独作用都可导致焊点开裂，共同作用时，破坏一般会加剧。 美国国家制造科学中心曾组织大型联合攻关（High Temperature Fatigue Resistant Solder Project） 力图找到可靠的抗高温疲劳的Sn-Pb 焊料合金的替代品。 ， 经严格筛选， 选出了七种最有发展潜力的无铅焊料合金：即Sn-3.5Ag，Sn-4Ag-1Cu，Sn-4Ag-0.5Cu， Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb ， Sn-4.6Ag-1.6Cu-1Sb-1Bi ， Sn-3.3Ag-1Cu-3.3Bi 和 Sn-3.5Ag-1.5In。 经过芯片的实装可靠性测试， 试验结果表明在给定的热循环温度范围内， 上述七种合金都表现出良好的可靠性， 其中三元或三元以上的无铅焊料合金系大都能呈现 比二元合金更好的抗热疲劳性能，可以在高温、高可靠性要求的情况下使用。 H.G Song 等就Sn-3.5Ag，Sn-3Ag-0.5Cu 和Sn-0.7Cu 三种无铅焊料焊点的蠕变性能 进行了研究。 发现富Sn 相焊点的剪切蠕变行为受Sn 相蠕变行为的控制， 其稳态蠕变速率 随力变化关系在高应力和低应力区间呈现两种特征， 在高应力区， 应力指数比低应力区大25北华航天工业学院毕业论文很多，反映出该合金蠕变机理的复杂性。Wiese 等 的研究结果也证实， Sn-3.5Ag 和 n-4Ag-0.5Cu 的蠕变行为与应力密切相关。6.3.1 电迁移（Electromigration）问题所谓电迁移就是指在很大电流的驱使作用下，金属中原子发生扩散迁移的物理现象。 电迁移中原子扩散的方向与电子流动的方向相同。 电迁移一直是微电子组装领域中长期存 在的问题。电子工业不断向微型化发展的趋势，使焊点的尺寸也在不断地缩小，所需承受 的电流密度不断增高，焊点接头中的电迁移就成、一个突出的可靠性问题。电子封装中一 般设计标准要求一个焊点承受的电流为0.2 A。那么对于一个直径为50 mm 的焊料团来说， 要求承受的电流密度就达到了104 A/cm2，因此在服役过程中，电迁移的作用将使原子源 源不断地由极向阳极扩散，导致在阴极形成空洞，在阳极则发生原子的堆积。 研究还发现，在焊点接头中，电迁移还将引起相组成的极化，在阳极发生金属间化合物 的生长， 在阴极则发生金属间化合物的溶解， 于是在阳极会引起基体材料不断向焊料合金 中溶解，并在焊料和基体界面形成大量金属间化合物，造成另一种焊点可靠性隐患。6.3.2 无铅焊料引入的新的可靠性问题与 Sn-Pb 合金焊料相比,无铅焊料的引入带来了下列新的可靠性问题: （1）对当前最为成熟的Sn-Ag 系无铅焊料而言，其普遍特征就是熔点更高，因此相 应的再流焊温度也将提高,这将使Cu 基体在熔融焊料中的溶解和扩散速度提高； 且无铅焊 料中Sn 含量都比Sn-Pb 焊料高， 而这也会使Cu 的溶解和扩散率增大。 这两者都增大了焊 点和基体间界面上形成金属间化合物的速率。 一般说来， 焊料和基体间形成少量的金属间 化合物能增加焊料对基体的润湿， 但由于金属间化合物的本征脆性， 随金属间化合物的厚 度增加，接头的力学性能将被严重削弱，导致焊点提前失效。现主要采用在Cu基体上镀一 层Ni 或Au 来防止基体在焊料中的熔融。但是又可能出现“吃金”现象，即随着反应不断 进行，致使镀Au 层完全被反应溶蚀消耗。目前还没有完善的解决方案。 （2）与Sn-Pb 合金焊料相比，多数无铅焊料成分偏离共晶点较远，其液相线温度和 固相线温度存在着较大的间隔，钎焊过程中，焊料往往处于部分熔融或凝固的状态，很易 导致“虚焊”（lift-off）现象。 （3）目前采用的元件基材和电路板材通常都是聚合物，主要为环氧树脂和BT 树脂。 已证实它们能很好地承受现行组装工艺的时间C温度条件。 但是对于熔点更高的无铅焊料 而言， 还不能确定其对焊接元件或电路板是否有不良的影响， 因为组装工艺温度的提高可 能导致聚合物材料性能的劣化，从而产生其服役过程中的可靠性问题。 迄今为止，由于焊点的剪切疲劳和蠕变行为和机制比较复杂，涉及的因素较多，尚有26北华航天工业学院毕业论文很多疑问存在， 如焊点热疲劳的主要变形机制、 焊点的显微结构对焊点的疲劳行为的影响 与作用机制等，有待进一步研究。如何抑制电迁移的破坏作用，目前更缺乏研究。对于无 铅焊料，应该指出，由于长期服役应用的经验和数据还较缺乏，文中所列出的新的可靠性 问题可能是很不完全的。27北华航天工业学院毕业论文第7章 无铅技术最新动态绿色制造是当代电子产业发展的一个重要趋势，无铅化是其中的重要内容。欧洲、美 国、 日本等发达国家投入了巨大的人力、物力，在法规的建设、产品的开发、市场的开拓、 技术及管理等方面积累了丰硕的成果。7.1无铅法规正全面实施由于 Pb 及其化合物的剧毒性， 发达国家出台了很多相关的法规予以限制和禁止。 美 国早在1990 年就通过相关法规，禁止含铅量超过0.1%的焊料的使用（电子行业除外）。 日本1994 年的“禁止水污染法”规定河水中含铅量标准应在0.01 mg/L 以下， 2001 出台 的“消费者电子再循环法”要求制造商回收有害材料。 对于电子无铅化推动最大的， 还是 欧盟出台的两个相关法规： WEEE(电子电气设备指导法令)和ROHS(有害物质限定规定)。 根 据此法规，到2006年7 月1 日，部分含铅电子设备在欧盟的生产和进口将属非法，同时含 铅电子产品也不得在欧盟区域销售。 中国的 Pb 污染是非常严重的，根据2002 年发表的“零铅工程”的报告，有30%幼儿 血铅超过国际公认的儿童铅中毒水平。从产业上看，我国产品与欧、日、美市场关系非常 紧密，发展无铅制造刻不容缓。为了推动中国绿色电子/无铅产业的发展，信息产业部、 国家发改委、国家环保局组织了大量国内企业、学术界的人士，讨论相应法规的建设。即 将推出的“电子信息产品污染防治管理方法”， 将与欧盟的RoHS/WEEE 接轨，明确规定 2006 年7 月1 日起，禁止包括铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯（PBB）、聚合溴化联 苯乙醚PBDE）等有害物质的使用。 可以这么说，无铅产业的真正启动，源于无铅法规的完善。7.2 无铅制造进展迅速日本企业对电子制造的无铅化非常积极， 并视之为日本产业界的一次巨大机遇。 日本 已成为世界上无铅元器件、 无铅材料和无铅系统产品的最大供货方， 大多数电子加工商和 组装厂在2001 年就已经完成了无铅生产工艺的准备，从2003 年到2005 年，日本制造商 将全面实现电子整机和相关组装件中的无铅化工作，2010 年，只允许极个别的产品使用 有铅工艺，到2015 年，完全禁止铅的使用。以松下电器为例，2003年4 月，松下电器产 业集团的所有产品已全部采用无铅焊锡，集团下属公司的产品共计12 000 种，采用的无 铅焊锡包括Sn-3Ag-0.5Cu( 一般产品) 、 Sn-3.5Ag-0.5Bi-3~8In(PDP 电视、 笔记本电脑、 车载音响)、Sn-8Zn-3Bi(电视机天线)和Sn-0.5Cu(冰箱等大型家电产品)。 美国 NEMI1999 年成立无铅工作组， 以帮助北美企业的无铅化进展， 成员包括Intel、 Motorola、TI、IBM 等，北电网络推出了SnCu 系无铅电话制品。28北华航天工业学院毕业论文1997 年初，飞利浦公司就宣布对公司生产的所有消费电子产品采取“绿色行动”， 2002 年该公司通过了正式的危险物质限制条例。 与发达国家相比，中国的无铅产业还处在初级阶段，部分本土OEM 厂商比如华为、海 尔等已经开始已经运用无铅焊接技术推出了DVD和汽车电子产品。7.3 无铅系统开发任重道远开发一种新型的环保电子/无铅系统涉及到方方面面的内容。以无铅技术为例，首先 必须有被产业界认可的可靠焊料、相适应的设备及工艺、建立无铅的标准和评估手段等； 其次必须对无铅焊料相关组分进行分析， 确定其使用后对生物的影响； 然后是考虑新型材 料及工艺对环境的作用；最后，必须考虑产品使用后的回收、循环利用等问题。可见无铅 概念的提出和这套系统的建立是一个非常复杂的系统工程。 今天， 我们在讨论无铅问题的 时候，更多的是关注无铅焊料、元器件、设备/焊接技术、成本、可靠性、标准等相关问 题。7.4 无铅焊料呈现系列化和多样化从 1991 年起，NEMI, NCMS, NIST, DIT, NPL,PCIF, ITRI, JIEP 等组织就相继开展 了关于无铅焊料的专题研究，耗资超过2 000 万美元，至今仍在继续。目前，关于无铅焊 料使用的选择，还没有一个统一的标准，通常，回流焊用Sn-3.9Ag-0.6Cu 系列，波峰焊 用Sn-0.7Cu 或者Sn-3.5Ag 较多，手工烙铁焊采用Sn/Cu、Sn/Ag 或Sn/Ag/Cu 系列居多。 在开发新型无铅焊料的时候,必须考虑新的焊膏能够提供与Sn/Pb 共晶合金相似的物 质、机械、温度和电气性能，同时合金元素的成本，原料来源的充足程度也是必须考虑的 因素之一。 低温无铅焊料的开发一直是个热点， 如果能够找到一种熔融温度与Sn/Pb 共晶焊料相 接近、应用性能稳定可靠的合金系统，就可以大大降低目前无铅焊接的工艺难度，只需将 先前的Sn/Pb 焊接装置稍加改装，就可以继续用于无铅生产，这也是企业所期待的。可惜 新开发的低温无铅焊料，普遍存在一些问题，比如Sn-Zn 系焊料（共晶点为198?C），存 在Zn 的氧化性和腐蚀性方面的问题。 清华大学电子材料与封装技术研究室,近年来在低温 无铅焊料的开发中做了很多工作，并取得了重要进展。 另外，关于无铅焊料开发的各种辅助工具，也渐为人们所重视，如日本东北大学根据 合金相图规律，开发了一种软件，对于不同合金的元素组合，给出了相应焊料系统的熔融 温度，这大大方便了新型无铅焊料的开发。 目前，国际上广泛使用的一些无铅焊料的专利主要掌握在日本、美国厂商的手中，据 统计，全世界关于无铅焊料的专利有600 余件，中国只有30 余件，其中大多数是外资企 业申请所有， 昂贵的焊料成本对中小企业来说是一个不小的负担。 国内的一些企业比如亿29北华航天工业学院毕业论文铖达、格林美等已经开始无铅焊料的研究和生产。7.5 无铅元器件正重点突破由于业界对无铅焊料和设备已经做了大量的准备工作， 相对来说无铅元器件是目前无 铅化比较薄弱的一个环节，随着世界电子制造业向中国的转移，为了降低成本，系统制造 商希望能够在中国获得稳定可靠、价格适中的无铅元器件供应。 无铅元器件的开发必须重点关注两个问题。 一是耐温性， 无铅器件必须能够承受高达 250~260℃的温度；同时，无铅器件必须进行从里到外彻底的无铅化的处理。很多封装器 件厂，目前都已经或者正在着手建设器件无铅镀工艺线，比如镀锡。除此，印制电路板的 无铅化处理也必须即刻着手准备。7.6 无铅设备/工艺力求精益求精无铅和有铅设备相差不多， 但是由于无铅焊料的熔点更高， 普遍比Pb/Sn 共晶焊料的 温度高30 来度，无铅焊接工艺参数操作空间更窄，无铅回流焊炉必须能够承受更高的温 度。 好的无铅焊接设备必须能够提供非常精确、 稳定的温度控制， 以保护元器件和线路板， 提高产能，减少能量的消耗。多数回流焊炉都具有氮气保护，也有研究表明，合理的无铅 工艺和材料。 选择， 氮气的使用也并非必不可少的， 这对于降低企业在无铅焊接生产中的成本是非 常重要的。 日本、美国的波峰焊/再流焊接设备生产厂家如BTU、Furukawa、ETC 等已经开始提供 无铅焊接设备，国内一些设备厂商，如日东、劲拓公司在无铅焊设备的开发方面也取得了 重要进展，日东公司2000 年5月已推出了第一台无铅波峰焊、无铅回流焊设备。7.7 无铅的可靠性正广泛试验无铅焊接缺陷及可靠性的问题，既是因为工艺温度的升高所导致的PCB、元器件的适 应性问题，很大程度上也是因为焊料组分的变化、以及器件表面无铅化的处理所导致的。 业界及许多机构已经对无铅可靠性的问题做了大量系统的工作， 对无铅焊接出现的一些问 题，做了许多合理的解释，并提出了相应的措施，比如预烘等。适当的材料选择，合理而 严格的工艺设置是提高无铅制品可靠性的关键。提出一套简单、易操作、标准化的无铅焊 接可靠性判断标准也是目前业界所期盼的。7.8 无铅凸点制备有待推广电子产品发展的一个趋势是轻、薄、短、小，一些高密度的器件连接手段，如倒装焊30北华航天工业学院毕业论文技术的应用越来越普遍，其中的关键技术是无铅凸点的制备。国内像清华大学在化学镀/ 电镀无铅凸点的制备方面， 做了许多工作。 这里介绍一种丝网印刷及等离子加热法制备无 铅凸点的新工艺，它比传统的电镀等制备凸点的手段来得更为简单、便宜。丝网印刷是一 种非常成熟并且普遍使用的工艺， 日本东京大学先端科学技术研究中心， 借助这种传统工 艺， 在八英寸硅片上得到凸点直径100 μ m 以内的无铅凸点， 然后在等离子炉里回流成型。 此种凸点制备方法，工艺简单、成本低、投资少、可靠性高、抗氧化性好、尺寸均匀、污 染少，是一种可以广泛推广的新型凸点制备方法。7.9 无铅标准尚待统一关于无铅的定义，目前还没有统一的标准，美国定义w(Pb)为0.2%以下为无铅，欧洲 定义w(Pb)为0.1%以下为无铅，国际标准化组织规定电子组装中铅含量小于0.1%属于无铅 的范畴。属有这些定义都不是一成不变的，它与无铅的测试手段、无铅技术的发展水平都 有关。2001 年，英飞凌、飞利浦和意法半导体提出了世界上第一个无铅元器件封装的建 议标准，并提出届时在其产品中相关材料中的铅含量将不超过0.1%。31北华航天工业学院毕业论文第8章结论随着对绿色电子/无铅产业越来越多的关注及国内外法规的完善，中国无铅化产业的 春天也即将到来。很多国内外的学术机构，如SMTA、IPC、清华大学、中国赛宝实验室、 中国电子学会生产技术分会、各地的SMT 专业委员会等，举办了各种无铅培训活动，为无 铅技术的推广提供了非常多的帮助。 总的来讲， 无铅化是当今蓬勃发展的绿色电子产业的一个重要组成部分， 企业从现在 开始，应积极参与无铅技术的发展和产业链的建设，对绿色电子/无铅的设计、生产、管 理、评价、市场、标准等一整套绿色电子的发展有清楚的了解，找到自己的位置。2004 年4 月份，由日本绿色设计专家团体、中国环境科学学会、IEEE-CPMT、中国电子封装学 会、无锡艾克柏国际微电子联合组织了绿色电子技术/产业方面的国际研讨会，国内外大 公司如索尼、富士通、英特尔、摩托罗拉、诺基亚、戴尔、朗讯、飞利浦、华为等近百人 参加，这不仅是对绿色电子技术和产业的关注，也是对中国市场的巨大信心。2005 年的 绿色电子论坛正在筹备之中。 对于中国中小企业来说，无铅化所带来的成本的增加，还是一个比较大的问题，由于 大量的无铅焊料/元器件从国外进口， 价格相对较高， 一般比Pb/Sn 焊料的成本要高一倍， 而30%左右的价格差异似乎是很多企业可以接受的水平， 所以无铅焊料/元器件的本土化生 产非常紧迫。政府、研究单位、产业界应该联合携手大力推动此事，必须加强焊料、设备 厂商、系统制造商之间的信息交流。另外无铅元器件的标示，产品的返修等也是企业关注 的问题。无铅的发展，既是技术的问题，更多的是观念的问题，很多企业还没有完全意识 到无铅化所带来的实实在在的庞大市场。目前，无铅的推动更多的是来自法规的力量，但 是一个产业的成熟应该依靠市场需求来引导。欧美日企业在无铅技术掌握上进步非常迅 速，无铅市场也日趋成熟，中国企业必须立即行动起来，共同培育中国的无铅市场。32北华航天工业学院毕业论文致谢本文研究工作是在我的导师赵鹏老师的精心指导和悉心关怀下完成的， 从开题伊始到 论文结束， 我所取得的每一个进步、 编写的每一段程序都无不倾注着导师辛勤的汗水和心 血。导师严谨的治学态度、渊博的各科知识、无私的奉献精神使我深受启迪，从尊敬的导 师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在今后的学习工作 中，我将铭记恩师对我的教诲和鼓励，尽自己最大的努力取得更好的成绩。 在此我要向我的导师赵鹏老师致以最衷心的感谢和深深的敬意！ 在三年的大学学习期间， 电子工艺与管理教研室的每位老师对我的学习、 生活和工作 都给予了热情的关心和帮助，使我的水平得到了很大的提高，取得了长足的进步。 在此，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示由衷的谢意！ 衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。33北华航天工业学院毕业论文参考文献[1] Mulugeta Abtew, Guna Selvaduray. 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