无铅焊接在国内的发展

无铅焊接在国内的发展

吴明伟

重庆川仪微电路有限责任公司400700

摘要：通过介绍国内相关的无铅焊料，无铅设备以及影响无铅焊接应用的有关因素，对无铅焊接在国内的发展有的全面的介绍。并在此基础上，提出了对无铅焊接特有问题的解决方法，可靠性评价方法。

关键词：电子技术；无铅焊接；国内发展

随着国内外各国都禁止使用有铅焊接的作业方式，无铅焊接的技术研究与应用在电子仪器封装产业中急需解决[1]。经过多年来的研究发展，我国无铅焊接的研究与推广应用取得了较好的成绩，电子仪器封装产业中已经应用无铅焊接已经较为普遍，但是无铅焊接在国内的应用仍然存在许多问题。

目前，国内无铅焊接技术的应用仍处在多采用国外技术的阶段，焊接的基础材料多依赖于进口，基础材料的研发仍然不足，技术依赖于国外，技术创新略显不足，相关标准以国外为主，缺少适用于自己的标准。面对国外的技术封锁，国内应当提升自身，壮大无铅焊接的实力。

1无铅焊料

目前市场上技术含量较高的主要的焊接材料大多都属于国外的技术专利[2]，国内常使用的焊接材料大多都是使用技术含量较低的不需要进口的焊接材料，技术高焊接材料严重依赖于进口。表1列举的是现有的无铅焊料。

表1现有的无铅焊料

2无铅设备及工艺

通常无铅焊接设备的工艺要服务于无铅焊接过程中遇到的各种问题，主要指无铅焊料焊接过程中的缺陷问题和焊接过程中设备的养护问题等。

应当增加无铅焊接设备的耐高温性能，这是由于焊接材料需要高的温度达到熔点，较高的温度会对设备有较大的损坏，进而影响无铅焊接的质量。所以应当利用不锈钢等材料在设备上增加防护层，提高设备的耐温性[3]。同时由于焊料的润湿性能较差，要求设备回流温度较高，这个过程要防止氧化，所以可以在设备中填充氮气等惰性气体，延长焊接设备的使用寿命，提高无铅焊接产品的质量。

3影响无铅焊接技术应用的有关因素

(1)元器件

电子组装技术产业中广泛应用的无铅焊料的熔点一般较高，所以要求元器件耐高温。

(2)PCB

无铅焊接要求PCB的基础材料耐更高温度，焊接后不变形，表面镀覆的无铅共晶合金材料与组装焊接用无铅焊料兼容，而且要考虑低成本。

(3)焊接工艺与设备

焊接设备要增强耐温性、耐氧化性和焊接材料的相匹配性能。随着焊接技术的精细化发展，焊接工艺的安全窗口越来越小，对焊接工业的要求越来越高。

(4)助焊剂

鉴于目前广泛应用的助焊剂的缺点，急需开发新型抗氧化和环保性能较高的助焊剂。目前在无铅焊接技术中免清洗助焊剂应用的最好。

(5)废料回收

从焊料中提取分离出可利用的金属的工艺是复杂的。

(6)应用成本

无铅焊接技术要求设备较高的匹配相容性，这必然导致成本的提高。

4无铅焊接特有的质量问题及解决方法

无铅焊接技术必须具备的高温性导致无铅技术产生了一些独特的质量问题。

4.1焊点的剥离

焊料与基板之间由于温度膨胀系数的差别较大，在较高的温度条件下，会造成焊点出产生剥离现象。

处理方法有两种，一是选择焊料与基板温度膨胀系数的差别较小的材料，二是加速冷却使得焊料与基板快速硬化在一起，形成一个整体，避免剥离现象的发生。

4.2金属须

有铅焊接时由于铅的存在而抑制了锡中金属须的生长，而在无铅焊接中金属须这种现象较为明显，严重制约了无铅焊接的发展。

解决这个问题的方法是寻找可以抑制锡中金属须生长的替代金属，或者在锡表面增加镍隔离层。

4.3锡瘟

有铅焊接时由于铅的存在而抑制了锡瘟的生长，而在无铅焊接中金属须这种现象较为明显，锡瘟极易发生。

解决这个问题的方法是寻找可以抑制锡中金属须生长的替代金属，如铋。

5无铅焊点的可靠性检测及评价

无铅焊接技术质量问题发生的时候往往是在焊料与基板之间的焊点处，这是显而易见的，因为主要的操作部位就在焊点处，操作对象是焊料。所以针对无铅焊点可靠性问题的检测主要是对焊料和焊料与基板之间的焊点处的情况进行的检测[4]，对焊点的可靠性评价也主要针对焊料和焊料与基板之间的焊点处进行。

5.1无铅焊料的评价

焊料对基板的润湿性和焊料对基板的强度等力学性能会直接影响焊点的质量，增加焊接的不确定性能。焊料的润湿性能和强度是对焊点不可靠性影响最大的两个因素，所以有必要对焊料这两个因素进行评价分析，从而增加无铅焊点的可靠性能，增加生产质量。

（一）润湿性

润湿试验一般采用润湿曲线，经润湿时间、润湿力进行润湿平衡评价。润湿平衡试验，如果焊料温度固定，液相线温度低的焊料，其润湿时间就短，润湿的起始温度由焊料的成分组成来确定。

（二）焊料强度

测定焊料本身强度的方法有二种，一种是制作试验用的拉伸试验样件，样件通过铸造做成不经过任何机械加工；另一种是将铸造后得到的拉伸用样件，经机械加工后做成符合试验用的圆棒，再进行试验。

5.2结合部位的可靠性评价

为了在短时间内评价接合部随着时间的推移而发生的劣化状况，采用在使用环境下的加速环境负荷，一般的加速环境试验有热冲击、热循环、高温高湿、高温等，通常热冲击试验比热循环在焊点内部产生更大的应力，因此常在研究中采用该方法。

结论

无铅焊料熔点高、易氧化等缺点，与无铅设备的匹配性要求高等特点限制了无铅焊接在国内的发展，国内无铅焊接仍有相当长的路要走。通过分析焊点剥离、金属须和锡瘟等问题，提出了相应的解决思路，并提出了对焊料润湿性和力学性能的评价方法，比较全面的研究了无铅焊接在国内的发展现状。

参考文献

[1]MulugetaAbtew,GunaSelvaduray.Lead-freesolderinmmicroelectronics[J].MaterSciEng,2000,27:95141.

[2]ZengK,TuKN.SixcaseofreliabilitystudyofPb-freesolderjointsinelectronicpackagingtechnology[J].MaterSciEng,2002,38R:55105.

[3]潘开林,周斌,颜毅林等.无铅转移与过渡技术[J].半导体技术,2007,32(2):142-146.

[4]史建卫.无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施[J].电子工艺技术,2008,29(1～5).