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第二代高性價比無鉛錫膏 - SMT錫膏無鉛化、無鹵化、低銀化與國產化
2010-03-30
吳念祖、吳堅

 

 

  歐盟在2006年7月1日全面禁止有鉛電子產品應用,我國於2007年3月1日正式公佈《電子產品污染控制管理辦法》,綠色電子製造已成為全球發展趨勢,無鉛錫膏已成為世界各國研發的熱門課題,國際先進品牌的無鉛錫膏如阿爾法、田村、千住等已進入中國市場。

 


  目前,國際上普遍採用的是錫、銀、銅無鉛錫膏,其主要成分錫粉為日本千住公司的專利產品無鉛合金錫、銀、銅(Sn96.5% Ag3%Cu0.5),雖然,其熔點(217-219℃)高於有鉛錫膏的熔點(183℃),但符合環保要求,且可靠性高,是使用較廣的第一代無鉛錫膏。但該產品由於銀含量過高,且有日本千住的專利壟斷,因此,價格昂貴。

 


  從2007年開始,美國、日本、中國等紛紛開發研究第二代高性價比無鉛錫膏。所謂第二代高性價比無鉛錫膏,錫粉由低銀或無銀合金組成,助焊劑中鹵素含量低或完全不含鹵素。上海華慶公司通過多年研究,開發出第二代高性價比無鉛錫膏,由自主開發的含非離子鹵化物的松香助焊劑和低銀錫、銀、銅(Sn99%Ag0.3%Cu0.7%)錫粉混合而成,不但質量優、可靠性高、錫膏壽命長、可焊性好,且貴金屬銀含量只有第一代無鉛錫、銀、銅錫膏的1/10,大大降低了生產成本,並有效避開了國外專利。本產品屬第二代低銀無鉛錫膏,在無鉛錫膏市場具有明顯的市場競爭優勢,同時,本公司正在研發熔點更低、成本更低的錫鉍銅(Sn82.5% Bi17%Cu0.5%)無鉛錫膏,該產品可填補國內外空白。

 


1 國內外無鉛錫膏研究現狀


  電子工業用錫鉛焊料已有五十多年的歷史,近年來,為了減少鉛對環境的污染和人類健康的影響,世界各國相繼研發出各種無鉛焊料,如錫銀系、錫銅系、錫鉍系、錫鋅系等無鉛焊料。目前,主流的無鉛錫膏為錫銀銅無鉛錫膏,錫銀銅系的主流無鉛合金為Sn96.5%Ag3%Cu0.5,熔點為217-219℃,具有較好的性能,但由於含銀量較高,造成錫膏的性價比較低,因此,目前,世界上正在開發第二代低銀(0307)以替代高銀無鉛錫膏(305)。此外,由於錫銀銅合金熔點大大高於錫鉛(Sn63/Pb37)合金183℃的熔點,其再流焊峰值溫度在235℃以上,大大高於錫鉛(Sn63/Pb37)錫膏再流焊峰值溫度(210-230℃)。目前,可以達到或接近錫鉛合金(Sn63/Pb37)熔點(183℃)的合金有錫鋅(Sn91% Zn9%)合金,其熔點為199℃;但由於鋅極易氧化,可焊性差,很難製成優良的錫膏。而錫鉍(Sn52%Bi48%)合金由於其熔點溫度為139℃,雖然,可焊性好,但熔點太低,可靠性較差。同時,典型無鉛錫膏合金(如:Sn96.5%Ag3.5%, Sn96.5%Ag3%Cu0.5%等)由於所需再流峰值溫度較高,容易對耐熱性差的元件或PCB造成損傷,因此,錫銀銅Sn96.5%Ag0.3%Cu0.7和錫鉍銅Sn82.5%Bi17%Cu0.5無鉛錫膏成為當前開發研究的方向。

 


2 無鉛錫膏技術原理


2.1 無鉛焊料的必要條件


  電子工業用60/40、63/37焊料已有50多年的歷史,已是非常成熟的工藝,因此,要取代有鉛焊料必須滿足一些充分而必要的條件,見圖1。

 

 

 圖.1


  首先,從電子焊接工藝的要求出發,為了不破壞元器件的基本特性,所用無鉛焊料熔點必須接近錫鉛共晶焊料的熔點183℃,這是由於熔點高的焊料將超過電子元件的耐熱溫度,同時,由於再流焊爐的制約,不可以使用熔點高的焊料。其次,從可焊性的觀點出發,必須與電子元件及印製板的鍍層銅、鎳、銀等有良好的潤濕。從電子產品的可靠性出發,為了形成良好的冶金結合的焊點,焊料本身的機械強度是非常重要的。特別要求焊點具有耐熱疲勞性能,這是由於電子產品在使用過程中不可避免地會產生發熱現象而出現熱膨脹,同時,在不使用時,溫度下降會產生收縮,如此反復循環將在焊點處產生熱疲勞現象。

 


  從焊接的實際操作來看,要求焊接缺陷少是非常重要的。特別是橋接、拉絲等不良缺陷均與焊料的潤濕性密切相關。在再流焊接時,由於母材表面氧化,為了提高焊接的去氧化作用,必須使用有活性的助焊劑予以去除,但是,這樣將產生殘留物而出現腐蝕和電遷移等現象。同時,在波峰焊時,由於波峰焊產生的氧化錫渣也是一個問題,不僅造成焊點不良率上升,同時也增加成本。此外,焊膏的儲存性是實施良好印刷的必要條件。由於在存放期間焊膏內的助焊劑與合金發生反應而劣化,造成粘度升高,印刷不良等。以上均是使用無鉛焊料必須考慮的問題。

 


  從這些觀點出發來選擇適當的無鉛焊料是非常重要的。表1所列是從1980年以來開發的無鉛共晶合金的特性比較。在此基礎上發展了當前實用的錫銀銅等主流無鉛焊料。

 


2.2 無鉛錫膏技術原理


  無鉛錫膏系由無鉛錫粉與助焊劑混合而成的均勻膏狀物體,必須具備可印刷性、可焊性與可靠性等特點。優質錫膏對錫粉的要求是:


1. 穩定的化學成分;


2. 雜質水平;


3. 顆粒大小和形狀;


4. 顆粒分佈;


5. 表面化學狀態。


優質錫膏對助焊劑的要求是:


1. 松香溶劑載體不可干燥過快,也不宜過慢。過快形成保護膜硬化不利焊接,過慢形成的松香膜內會有一些熔化的錫膏,在溶劑迅速揮發時會導致濺射;


2. 要求具有雙活性的活性物質;


3. 要求有觸變性能優良的流動助焊劑;


4. 要求有抗氧化劑等。


2.3 無鉛錫粉與助焊劑反應機理


  通常,錫膏助焊劑活性成分由離子鹵化物和有機酸組成,由於具有不同的活性溫度,可以較好地去除金屬錫、銅、鎳等的表面氧化層。但在常溫時,由於鹵素及有機酸易與無鉛錫粉的氧化層發生反應,從而導致錫膏粘度發生變化,使錫膏性能變壞,壽命縮短。助焊劑活性系統由非離子鹵化物、有機酸和有機胺化合物組成,不僅能使錫膏在常溫時粘度不產生變化,又具有良好的印刷特性和壽命,同時具有優良的可焊性,從而在再流焊時潤濕性好,不產生錫珠。

 


3 低銀無鉛錫膏與低溫錫鉍銅錫膏


  華慶研製的低銀無鉛錫膏LF-200P-SAC02與低溫錫鉍銅錫膏LF-200P-SBC1705,由於具有優良的性價比,以及接近63/37的工藝溫度曲線而得到廣泛應用,現做一簡單介紹:

 

 

表1 錫鉛共晶焊料與各種錫共晶焊料的優缺點

 


3.1 無鉛免清洗錫膏LF-200P-SAC02


3.1.1 基本性能


  SAC0307是目前業界研究較多的無鉛合金。作為Sn/Ag/Cu系合金的一員,其綜合性能介於傳統的SAC305和SC07之間,有很好的應用前景。SAC305和SC07都有各自明顯的不足。雖然,SAC305可焊性及機械性能良好,但高銀含量使其成本居高不下,給電子產品製造商造成巨大壓力,此外,高銀含量的合金更易發生電遷移;SC07雖然價格低,但其較差的可焊性制約了焊接質量與生產效率。對電子產品製造商而言,SAC0307在成本、質量和效率三方面相對較為平衡,很有可能成為取代SAC305的行業主流的無鉛合金。

 


  表1所列是SAC0307與其他合金的物理性能對比。

 

   

 

      表1.物理性能對比


  圖2所示是SAC0307與其他合金的抗熱疲勞性能對比。

 

 

 

 圖2 抗熱疲勞性能對比

 


  從圖2可看出,SAC0307抗熱疲勞性能較SC07好,稍遜於SAC305。

 


  通常,使用潤濕測量法來衡量焊料、助焊劑或母材的可焊性。潤濕時間越短或潤濕力越強說明某一被測材料的可焊性越強。圖3所示是SAC0307與SC07無鉛合金的可焊性對比。
 

 

 

圖3 可焊性對比

 

 

  圖4所示是SAC0307與SAC305鋪展率比較。

 

 

圖4 鋪展性對比

 


  由圖4可見,採用相同的助焊劑,SAC0307在潤濕時間和潤濕力方面的表現比SAC305稍差。調整助焊劑配方能夠明顯改善合金的焊接能力。華慶公司開發的LF-200P-SAC02無鉛錫膏使用專為SAC0307設計的助焊劑系統,該錫膏完全可達到與SAC305同樣的潤濕效果,可充分保證焊接品質。此外,LF-200P-SAC02可使用與SAC305相同的回流工藝,無需提高回流溫度便能獲得理想的焊接效果。(以上部分圖表摘自北京有色研究院報告。)

 

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