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無鉛釬焊技術的研究與進展

查看：2287 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:40:13

盡管無鉛技術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業(yè)體系。我國各級部門也都在緊密關注和應對。
無鉛焊料發(fā)展的進程
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)展的幾個重要進程看，無鉛研究的法律來源于歐盟和美國，而以經濟作為產業(yè)杠桿，一些作為電子產品生產的重要國家，對于無鉛的推動起到了不可忽視的作用。
作為電子產品出口國，日本的無鉛化進程主要是由其產業(yè)界驅動的。日立、松下、索尼、東芝、富士通等公司建立了各自的無鉛進程表。據(jù)估計，無鉛焊料應用于所有元件、材料和產品中將依次到2004年末和2005年末完成。美國也在加速無鉛化技術的開發(fā)與應用。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。
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、國家經濟貿易委員會、國家環(huán)�？偩帧倚畔a業(yè)部經濟體制改革與經濟運行司體制改革處等政府機構多次聯(lián)合研究院所、大中企業(yè)等召開無鉛政策及技術研討會，討論我國無鉛產品應對歐盟指令的政策及技術措施。各電子組裝學會、焊接學會等相關學會、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、各國應對措施及無鉛材料和技術的進展，并聘請國內外知名企業(yè)和廠商參加。聘請研究機構宣講無鉛發(fā)展技術及存在問題，展出產品。
在無鉛釬焊技術中，無鉛焊料的研究仍然是其中熱點的研究。國內外研究機構和企業(yè)都投入了大量的資源來進行此項工作，并取得可很好的進展，已經有一批無鉛焊料可以用于電子組裝生產。
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、被焊結構的耐溫性等一系列相關問題也在熱點研究之列。
無鉛技術原材料和材料的需求及價格
目前正在研究和已經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）的焊接技術研究部門對已開發(fā)的主要無鉛焊料進行了綜合性能試驗比較。其比較結果為Sn-Ag-Cu最好，而且是目前使用最多的主流無鉛焊料合金。回流焊焊膏主要采用SnAgCu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品生產和消費國，但相關礦產資源卻并不豐富。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)研制生產無鉛焊料。2003年從事焊料生產的企業(yè)約300多家，已有70%以上的錫焊料生產企業(yè)生產不同類型的無鉛焊料。產品中焊絲、焊條占相當大的比重（約占焊料市場的50%以上），2003年國內用量約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年國內各種無鉛焊料的產量約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，導致這些材料（包括其礦產資源）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。直接導致錫的價格由不到4萬元/噸上升到接近10萬元/噸。由此導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，電子產品生產企業(yè)表示，焊料在其產品中所占的份額并不大，因此不會給電子產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作為一個競爭的籌碼。
研究和產業(yè)進展
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、結構可靠性、微量元素的影響、工藝性、設備要求、封裝技術、生產控制、發(fā)展進展和趨勢、政策研討等方面。
圍繞著無鉛技術的進展，國內高校和研究所、生產企業(yè)的興趣點各有差異。高校和研究部門主要是結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、合金的物理性能（電導、熱導）和力學性能（強度及抗蠕變性能）測試、接頭界面反應層的形成及對接頭力學性能的影響、合金系和焊接接頭蠕變及疲勞行為等方面進行大量基礎性研究工作。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研究，發(fā)展在微小尺度下實現(xiàn)可靠互連的材料和相關技術，為集成電路的連接和器件小型化提供解決方案。研究內容主要涵蓋無鉛釬料合金的研究改進，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)的結構及可靠性評估等。從中國期刊網（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注的程度日益加劇。而企業(yè)則更多地關注釬料生產和應用等問題。
關于無鉛釬料等標準的研究工作，是研究機構（高校、研究所）和企業(yè)共同關注的課題。各方同時致力于無鉛標準的制定研究工作，包括成分、形態(tài)、性能、測試方法等，以規(guī)范和提高無鉛產業(yè)標準水平。原因在于它直接關系到無鉛焊料的產業(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。
生產狀態(tài)
目前無鉛產品已經四處可見，特別是進口或合資產品，已經打上了無鉛商標。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有生產，而以SnAgCu 三元合金為主流的無鉛產品主要為進口，特別是涉及專利的產品，國內企業(yè)不敢問津，或者干脆采取合資，以外方控股的形式生產�？上驳氖�，國內有些企業(yè)已與高校合作，即將生產具有我國自主知識產品的產品，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。另外國內主要產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，包括產品、設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品展出，來源于不同規(guī)模企業(yè)。
專利問題
無鉛技術的進展仍然存在專利問題。國內各生產廠商都非常謹慎。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，在中國國家知識產權局網站上用“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，如果國內的無鉛焊料和無鉛焊接技術都能擁有自己的知識產權，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品，就能夠加快我國電子產品“無鉛化”的進程，并在國際市場上搶占不少商機。
無鉛釬焊的質量控制
無鉛化的發(fā)展，除了合金本身的改變，還在生產中帶來了許多問題。
● 雜質控制
生產中的雜質和主元的控制非常重要，因此冶煉最好在真空或氣體保護條件下進行，但成本會相應提高�？上驳氖�，由于冶煉和提純工藝的提高和改善，原材料中雜質的控制越來越嚴格，雜質含量越來越少。因此把好主原料關之后，關鍵來源于生產過程中所接觸的介質，關于這些方面的影響還需要做進一步的研究工作。
● 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，應給以更多的關注。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)。
● 生產過程問題
無鉛釬料的生產和應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企業(yè)正在積極研究應對解決。
無鉛釬焊技術的前景
無鉛釬焊技術的發(fā)展方向是可靠、綠色和低成本。
無鉛釬焊結構的可靠性包括材料的主要物理、力學指標符合電子連接結構的要求，并且具有良好的工藝性，結構要有良好的可靠性。因此，新釬料和工藝的開發(fā)研究要緊密結合其可靠性的保證，同時，無鉛技術的應用還要解決生產中不斷出現(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)調性和可持續(xù)發(fā)展的方向進行。
為提高該產業(yè)的經濟性，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。

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