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無鉛釬焊技術(shù)的研究與進(jìn)展

查看：2562 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:40:13

盡管無鉛技術(shù)的實施還存在許多問題，無鉛材料和工藝本身的環(huán)境問題還有待于評價，然而，無鉛釬焊的腳步卻一直在走向2006年。世界許多國家都在建立無鉛釬焊產(chǎn)業(yè)體系。我國各級部門也都在緊密關(guān)注和應(yīng)對。
無鉛焊料發(fā)展的進(jìn)程
無鉛焊料的問題提出及研究發(fā)展要追溯到1986年美國國會通過議案禁止引用自來水水管采用含鉛釬料連接，由此拉開了無鉛化運動的序幕。從無鉛焊料發(fā)展的幾個重要進(jìn)程看，無鉛研究的法律來源于歐盟和美國，而以經(jīng)濟(jì)作為產(chǎn)業(yè)杠桿，一些作為電子產(chǎn)品生產(chǎn)的重要國家，對于無鉛的推動起到了不可忽視的作用。
作為電子產(chǎn)品出口國，日本的無鉛化進(jìn)程主要是由其產(chǎn)業(yè)界驅(qū)動的。日立、松下、索尼、東芝、富士通等公司建立了各自的無鉛進(jìn)程表。據(jù)估計，無鉛焊料應(yīng)用于所有元件、材料和產(chǎn)品中將依次到2004年末和2005年末完成。美國也在加速無鉛化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。美國NEMI于1999年成立專門工作組，以便幫助北美公司在2001年啟動無鉛電子組裝。美國NEMI成員中，AIM、Alpha Metals、Celestica、Chip PAC、FCI Electronics、IBM、Indium、Intel、ITRI、Johnson Manufacturing、Kester Solder、Motorola、NIST、SCI Systems、Storage Technology、Texas Instruments、Universal Instruments和Vitronics Soltec等公司都在積極發(fā)展無鉛技術(shù)。
在這次無鉛化過程中，我國各級部門也給予了足夠的重視。國家發(fā)展改革委員會、國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會、國家環(huán)保總局、國家信息產(chǎn)業(yè)部經(jīng)濟(jì)體制改革與經(jīng)濟(jì)運行司體制改革處等政府機構(gòu)多次聯(lián)合研究院所、大中企業(yè)等召開無鉛政策及技術(shù)研討會，討論我國無鉛產(chǎn)品應(yīng)對歐盟指令的政策及技術(shù)措施。各電子組裝學(xué)會、焊接學(xué)會等相關(guān)學(xué)會、協(xié)會也積極采取各種措施，在各級企業(yè)中宣講歐盟政策、各國應(yīng)對措施及無鉛材料和技術(shù)的進(jìn)展，并聘請國內(nèi)外知名企業(yè)和廠商參加。聘請研究機構(gòu)宣講無鉛發(fā)展技術(shù)及存在問題，展出產(chǎn)品。
在無鉛釬焊技術(shù)中，無鉛焊料的研究仍然是其中熱點的研究。國內(nèi)外研究機構(gòu)和企業(yè)都投入了大量的資源來進(jìn)行此項工作，并取得可很好的進(jìn)展，已經(jīng)有一批無鉛焊料可以用于電子組裝生產(chǎn)。
無鉛焊料用助焊劑的研究也是熱點研究之一。由于表面張力的增大，無鉛釬料的潤濕性明顯小于錫鉛共晶釬料。要推出配對助焊劑，完全達(dá)到原來錫鉛焊料的成型，目前確實存在困難。
另外，配合新型無鉛焊料的工藝性及可靠性研究評價，對于PCB焊盤、元器件焊腳表面合金化處理、被焊結(jié)構(gòu)的耐溫性等一系列相關(guān)問題也在熱點研究之列。
無鉛技術(shù)原材料和材料的需求及價格
目前正在研究和已經(jīng)實用化的無鉛焊料大體上分為三大類別，即高溫的Sn-Ag系、Sn-Cu系，中溫的Sn-Zn系，以及低溫的Sn-Bi系等。國際錫研究協(xié)會（ITRI）的焊接技術(shù)研究部門對已開發(fā)的主要無鉛焊料進(jìn)行了綜合性能試驗比較。其比較結(jié)果為Sn-Ag-Cu最好，而且是目前使用最多的主流無鉛焊料合金�；亓骱负父嘀饕捎肧nAgCu合金，而波峰焊采用較多的還是SnCu合金。在焊錫膏中主要采用96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近共晶合金系統(tǒng)；波峰焊采用99.3Sn/0.7Cu共晶合金系統(tǒng)；手工焊接采用99.3Sn/0.7Cu合金系統(tǒng)。
中國目前是世界上最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)和消費國，但相關(guān)礦產(chǎn)資源卻并不豐富。許多焊料廠家在近幾年來都投入了大量的人力、物力、財力開發(fā)研制生產(chǎn)無鉛焊料。2003年從事焊料生產(chǎn)的企業(yè)約300多家，已有70%以上的錫焊料生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)不同類型的無鉛焊料。產(chǎn)品中焊絲、焊條占相當(dāng)大的比重（約占焊料市場的50%以上），2003年國內(nèi)用量約7萬噸，品種類型多為Sn-Ag系、Sn-Ag-Cn系和Sn-Cu系。主要用于手工焊和波峰焊，回流焊的焊膏年用量約1500噸，2003年國內(nèi)各種無鉛焊料的產(chǎn)量約1萬噸，年增長率在50%以上。
然而，無鉛的發(fā)展使得世界對錫、銀等主要原料的需求猛增，導(dǎo)致這些材料（包括其礦產(chǎn)資源）的期貨價和市場價猛增。如以上面的數(shù)據(jù)計算，無鉛焊料中錫的年消耗量將增加30%以上，釬料中Sn直接增加2萬多噸。若以材料制得率平均以70%計算（焊條較高，以90%計，焊粉只有不到50%），則Sn的直接增量將上升到3萬多噸。直接導(dǎo)致錫的價格由不到4萬元/噸上升到接近10萬元/噸。由此導(dǎo)致錫焊料價格特別是無鉛焊料價格的急劇增長。除了國際環(huán)境材料和能源的上漲造成的因數(shù)外，還有錫本身需求量的大幅上漲（由過去占60%左右變?yōu)檎?0%以上），使錫的原材料價格翻番。同時包括Ag的價格，釬料中每增加1克Ag，原材料成本可能增加20%左右。
不過，電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)表示，焊料在其產(chǎn)品中所占的份額并不大，因此不會給電子產(chǎn)品的價格帶來明顯的變化，相反企業(yè)倒是可以以綠色商標(biāo)作為一個競爭的籌碼。
研究和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展
研究的問題主要在于圍繞材料的開發(fā)，材料的性能、合金相圖、結(jié)構(gòu)可靠性、微量元素的影響、工藝性、設(shè)備要求、封裝技術(shù)、生產(chǎn)控制、發(fā)展進(jìn)展和趨勢、政策研討等方面。
圍繞著無鉛技術(shù)的進(jìn)展，國內(nèi)高校和研究所、生產(chǎn)企業(yè)的興趣點各有差異。高校和研究部門主要是結(jié)合無鉛焊料合金系的開發(fā)研究，在無鉛焊料合金的冶煉技術(shù)、合金的物理性能（電導(dǎo)、熱導(dǎo)）和力學(xué)性能（強度及抗蠕變性能）測試、接頭界面反應(yīng)層的形成及對接頭力學(xué)性能的影響、合金系和焊接接頭蠕變及疲勞行為等方面進(jìn)行大量基礎(chǔ)性研究工作。研究微量元素如In、Bi以及稀土等元素的添加對合金組織、力學(xué)性能及釬焊性能的影響，并從微觀機制上研究分析提高釬焊接頭可靠性的措施；同時探討采用機械合金化等方法研制開發(fā)無鉛釬料粉體，并直接加焊劑配制成焊膏，從而簡化釬料合金制粉和配膏等工序。研究還包括互連體材料的基礎(chǔ)研究，發(fā)展在微小尺度下實現(xiàn)可靠互連的材料和相關(guān)技術(shù)，為集成電路的連接和器件小型化提供解決方案。研究內(nèi)容主要涵蓋無鉛釬料合金的研究改進(jìn)，無鉛釬料合金的制備工藝，微電子互連體界面冶金，電子封裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及可靠性評估等。從中國期刊網(wǎng)（20050408檢索）按無鉛焊料和無鉛釬料主題詞/題目/摘要檢索，獲得文章91篇，最早可以追溯到1994年，而大量的文章發(fā)表在2001年以后，可見無鉛化為人們所關(guān)注的程度日益加劇。而企業(yè)則更多地關(guān)注釬料生產(chǎn)和應(yīng)用等問題。
關(guān)于無鉛釬料等標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，是研究機構(gòu)（高校、研究所）和企業(yè)共同關(guān)注的課題。各方同時致力于無鉛標(biāo)準(zhǔn)的制定研究工作，包括成分、形態(tài)、性能、測試方法等，以規(guī)范和提高無鉛產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水平。原因在于它直接關(guān)系到無鉛焊料的產(chǎn)業(yè)化，與企業(yè)利益直接掛鉤，而它又直接依賴于研究部門對各個環(huán)節(jié)可靠性的研究。
生產(chǎn)狀態(tài)
目前無鉛產(chǎn)品已經(jīng)四處可見，特別是進(jìn)口或合資產(chǎn)品，已經(jīng)打上了無鉛商標(biāo)。無鉛材料的供貨狀態(tài)包括波峰焊用焊棒、焊絲，再流焊用焊粉、焊膏、焊球等各種形式。然而，需要注意的是，不涉及專利的二元合金國內(nèi)有生產(chǎn)，而以SnAgCu 三元合金為主流的無鉛產(chǎn)品主要為進(jìn)口，特別是涉及專利的產(chǎn)品，國內(nèi)企業(yè)不敢問津，或者干脆采取合資，以外方控股的形式生產(chǎn)。可喜的是，國內(nèi)有些企業(yè)已與高校合作，即將生產(chǎn)具有我國自主知識產(chǎn)品的產(chǎn)品，創(chuàng)建我國自己的品牌。
除無鉛焊料合金外，助焊劑也是一個非常興旺的行業(yè)。目前國內(nèi)助焊劑行業(yè)有大小公司不少于幾百家，依據(jù)市場需求，主要供應(yīng)松香基、免清洗等各種助焊劑，滿足藥芯絲、焊膏、波峰焊、手工焊等各種工藝的要求。另外國內(nèi)主要產(chǎn)品還是為含鉛材料配合，同時陸續(xù)推出無鉛焊料用助焊劑。助焊劑要求耐高溫，同時活化點要提高，以配合無鉛焊料的高熔點。然而，由于助焊劑的原材料價格遠(yuǎn)低于合金本身，因此其價格變化還不是很敏感。
大小展示會每年甚至每個季度在北京、上海、深圳等城市都有若干次，包括產(chǎn)品、設(shè)備展示以及無鉛焊接問題研討。而每次展示會上都會有越來越多的無鉛產(chǎn)品展出，來源于不同規(guī)模企業(yè)。
專利問題
無鉛技術(shù)的進(jìn)展仍然存在專利問題。國內(nèi)各生產(chǎn)廠商都非常謹(jǐn)慎。從1995年開始，中國開始有無鉛釬料的專利申請，截止到本文發(fā)稿，在中國國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站上用“無鉛焊料”和“無鉛釬料”兩個主題詞檢索，分別檢索出31和12共計43項專利，其分布和主要內(nèi)容見表2。從表中可以看出，我國自己的專利申請速度加快。
專家指出，如果國內(nèi)的無鉛焊料和無鉛焊接技術(shù)都能擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)，具有明顯的價格優(yōu)勢，那么就有更多的商家接受我們的產(chǎn)品，就能夠加快我國電子產(chǎn)品“無鉛化”的進(jìn)程，并在國際市場上搶占不少商機。
無鉛釬焊的質(zhì)量控制
無鉛化的發(fā)展，除了合金本身的改變，還在生產(chǎn)中帶來了許多問題。
● 雜質(zhì)控制
生產(chǎn)中的雜質(zhì)和主元的控制非常重要，因此冶煉最好在真空或氣體保護(hù)條件下進(jìn)行，但成本會相應(yīng)提高�？上驳氖�，由于冶煉和提純工藝的提高和改善，原材料中雜質(zhì)的控制越來越嚴(yán)格，雜質(zhì)含量越來越少。因此把好主原料關(guān)之后，關(guān)鍵來源于生產(chǎn)過程中所接觸的介質(zhì)，關(guān)于這些方面的影響還需要做進(jìn)一步的研究工作。
● 缺陷檢測和控制
目前的無鉛釬料合金系本身決定了焊點的光亮度差，其表面張力大于SnPb的表面張力，加之配套釬劑不成熟，同時有的合金系抗氧化性差（如含鋅釬料），因此，無鉛釬料替代后，組裝中出現(xiàn)各種缺陷的概率都會增加，應(yīng)給以更多的關(guān)注。特別是空洞、元件豎立等缺陷比錫鉛釬焊工藝中明顯增多。另外，由于無鉛釬料的熔點遠(yuǎn)高于SnPb釬料，若不改變PCB基材，則PCB的變形、氣泡及碳化現(xiàn)象會更加嚴(yán)重。
在無鉛焊接中，還會發(fā)生一些特殊的缺陷，例如焊腳提升(fillet lifting)和錫須(tin whisker)。
● 生產(chǎn)過程問題
無鉛釬料的生產(chǎn)和應(yīng)用無鉛釬料的電子組裝出現(xiàn)了不同于錫鉛釬料的問題，其中已暴露的部分主要問題如表3所示。目前研究部門和生產(chǎn)企業(yè)正在積極研究應(yīng)對解決。
無鉛釬焊技術(shù)的前景
無鉛釬焊技術(shù)的發(fā)展方向是可靠、綠色和低成本。
無鉛釬焊結(jié)構(gòu)的可靠性包括材料的主要物理、力學(xué)指標(biāo)符合電子連接結(jié)構(gòu)的要求，并且具有良好的工藝性，結(jié)構(gòu)要有良好的可靠性。因此，新釬料和工藝的開發(fā)研究要緊密結(jié)合其可靠性的保證，同時，無鉛技術(shù)的應(yīng)用還要解決生產(chǎn)中不斷出現(xiàn)的新問題。
未來的電子組裝釬焊材料和工藝的研究將繼續(xù)朝著環(huán)境協(xié)調(diào)性和可持續(xù)發(fā)展的方向進(jìn)行。
為提高該產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性，還將繼續(xù)研究減少貴金屬、節(jié)約材料、降低成本的無鉛新材料和新技術(shù)。

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