【正文】 ，包括焊條、焊絲、焊球等；⑷與鍍Pb元器件兼容較好，由溶Pb引起的焊點(diǎn)剝離情況比其他無(wú)鉛焊料少。⑴ （日本，JEITA推薦）；⑵ （歐盟，IDEALS推薦）；⑶ （ ，美國(guó)，NEMI推薦）。這種合金具有優(yōu)良的物理性能和高溫穩(wěn)定性，因此也成為各種無(wú)鉛焊接工藝中的首選候補(bǔ)焊料。推薦使用的幾種無(wú)鉛焊料日本及歐盟給出了目前在幾種不同焊接工藝中可替代錫鉛焊料的最佳無(wú)鉛焊料。金屬溶解速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致以下幾方面的問(wèn)題。浸潤(rùn)性較差，帶來(lái)以下幾方面的不足：⑴容易產(chǎn)生接合不良；⑵為提高浸潤(rùn)性而對(duì)操作溫度要更高；⑶為提高浸潤(rùn)性而使用高活性的助焊劑，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)可靠性降低。但無(wú)鉛焊料相對(duì)于SnPb焊料而言仍存在三大不可忽視的弱點(diǎn)。同時(shí)，盡管現(xiàn)在有很多專利，但是這些專利范圍的成分還沒(méi)有達(dá)到最佳性能，不能滿足所有要求。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)鉛焊料和無(wú)鉛釬料的專利共有69條，從中可以看出我國(guó)自己的專利申請(qǐng)速度在不斷加快。第3章 無(wú)鉛焊料的優(yōu)缺點(diǎn)分析嚴(yán)格的禁鉛條例使電子封裝產(chǎn)業(yè)對(duì)無(wú)鉛焊接提出了更高的要求，已經(jīng)成熟的錫鉛焊料必須被性能相近或更高的無(wú)鉛焊料所替代。.. 焊接設(shè)備要適應(yīng)較高的焊接溫度要求。 PCB要求PCB基材耐更高溫度，焊后不變形，表面鍍覆無(wú)鉛化，與組裝焊接用無(wú)鉛焊料兼容，要低成本。.. 元器件要求元件體耐高溫，而且無(wú)鉛化。SnZn機(jī)械性能好，拉伸強(qiáng)度比SnPb共晶焊料好，可拉制成絲材使用；具有良好的蠕變特性，變形速度慢，至斷裂時(shí)間長(zhǎng)Zn極易氧化，潤(rùn)濕性和穩(wěn)定性差，具有腐蝕性。 表21無(wú)鉛焊料的優(yōu)缺點(diǎn)種 類優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)SnAg具有優(yōu)良的機(jī)械性能、拉伸強(qiáng)度、蠕變特性及耐熱老化比SnPb共晶焊料稍差，但不存在延展性隨時(shí)間加長(zhǎng)而劣化的問(wèn)題。最有可能替代Sn/Pb焊料的元毒合金是Sn為主，添加Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金屬元素，通過(guò)焊料合金化來(lái)改善合金性能提高可焊性。第2章 無(wú)鉛焊料簡(jiǎn)介⑴熔點(diǎn)低，合金共晶溫度近似于Sn63/Pb37的共晶焊料相當(dāng)，具有良好的潤(rùn)濕性；機(jī)械性能良好，焊點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱老化性能； ⑵熱傳導(dǎo)率和導(dǎo)電率要與Sn63/Pb37的共晶焊料相當(dāng)，具有良好的潤(rùn)濕性； ⑶機(jī)械性能良好，焊點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱老化性能； ⑷要與現(xiàn)有的焊接設(shè)備和工藝兼容，可在不更換設(shè)備不改變現(xiàn)行工藝的條件下進(jìn)行焊 接。我國(guó)目前還沒(méi)有具體政策，目前鉛錫合金焊膏還在繼續(xù)沿用，但發(fā)展是非?？斓?，加WTO會(huì)加速跟上世界步伐。我國(guó)一些獨(dú)資和合資企業(yè)的出口產(chǎn)品也有了應(yīng)用。日本首先研制出無(wú)鉛焊料并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，并從2003年起禁止使用美國(guó)和歐洲提出2006年7月1日起禁止使用。.鉛及其化合物會(huì)給人類生活環(huán)境和安全帶來(lái)較大的危害。因此，著重綠色產(chǎn)品即可回收產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)，才能從根本上消除電子行業(yè)對(duì)環(huán)境的污染。要從根本上解決這一問(wèn)題，必須改變PCB材料，但這絕非一朝一夕可以完成的，現(xiàn)在也并無(wú)跡象表明PCB制造商準(zhǔn)備改變其所用材料。 SMT無(wú)鉛化的發(fā)展趨勢(shì) 由于各國(guó)和地區(qū)的嚴(yán)格立法及表面貼裝業(yè)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，按歐盟要求的時(shí)間表實(shí)現(xiàn)大部分元件與焊接過(guò)程的無(wú)鉛化是完全有可能的。SnZn的低共熔點(diǎn)199℃，接近于SnPb。 SnCu：溶點(diǎn)227℃，曲服強(qiáng)度低，蠕變速度高，特別適于取代現(xiàn)在的高鉛焊料（熔點(diǎn)大于300℃），用于倒裝芯片焊接。 ：熔點(diǎn)200~216℃，潤(rùn)濕性最佳，表面最亮，抗熱疲勞及耐蠕變性與SnAgCu焊料相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)于SnPb。良好的可靠性和合適的工藝參數(shù)使得該合金成為線路板貼裝時(shí)的最佳無(wú)鉛焊料，美國(guó)國(guó)家電子制造聯(lián)合會(huì)和諾基亞均推薦該合金為表面貼裝無(wú)鉛焊料。245℃即具有很好的潤(rùn)濕性，但在表面貼裝時(shí)，由于大元件較大的熱容量，回流焊溫度需提高到260℃。人們先后研究過(guò)許多錫基合金，概述如下： ：是眾多無(wú)鉛焊料的基礎(chǔ)，溶點(diǎn)221℃（SnPb焊料的熔點(diǎn)為183℃），液態(tài)下表面張力大、潤(rùn)濕性差、強(qiáng)度高、抗蠕變性強(qiáng)。 無(wú)鉛焊料的選擇 貼裝無(wú)鉛化，主要在于無(wú)鉛焊料的選擇及焊接工藝的調(diào)整，其中尤以無(wú)鉛焊料的選擇最為關(guān)鍵。目前比較成功的無(wú)鉛電鍍合金有兩種：美國(guó)開發(fā)的NiSn系統(tǒng)和日本開發(fā)的CuSn 系統(tǒng)，基本滿足了上述鍍層質(zhì)量和使用性能要求。鍍層質(zhì)量是指電鍍不產(chǎn)生晶須、表面光澤好、與鎳層結(jié)合牢固。 元器件的無(wú)鉛電鍍是貼裝行業(yè)實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛化的首要條件，也是貼裝企業(yè)對(duì)元器件供應(yīng)商的迫切要求。但無(wú)鉛工藝的發(fā)展沒(méi)有停滯，制造商正在積極討論在材料、回流焊溫度、PCB、裝配過(guò)程和檢測(cè)等方面制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。盡管電子行業(yè)所用的鉛占不到世界鉛耗量的1%，但由于該行業(yè)所廢棄的焊接件占廢棄鉛元素比例迅速增加，因此表面貼裝業(yè)的無(wú)鉛化也成為一項(xiàng)迫切的課題。無(wú)鉛焊料的可靠性研究畢業(yè)論文目 錄第1章 緒論 1無(wú)鉛焊料的發(fā)展 1第2章 無(wú)鉛焊料簡(jiǎn)介 3 3 3第3章無(wú)鉛焊料的優(yōu)缺點(diǎn)分析 5 5 5 熔點(diǎn)高 5 5 SnAgCu系 6 SnAgCu優(yōu)點(diǎn) 6 SnAgCu缺點(diǎn) 6 SnCu系 6 SnCu優(yōu)點(diǎn)： 7 7 SnZn（Bi）系 7 SnZn優(yōu)點(diǎn) 7 Sn Zn缺點(diǎn) 8 SnAgInBi系 8 SnAgInBi優(yōu)點(diǎn) 8 8第4章 無(wú)鉛焊料的開發(fā)與應(yīng)用 10 無(wú)鉛焊料的錫原料供應(yīng)量 10 焊料現(xiàn)狀與有效使用方法 10 其它研究課題 15第5章 過(guò)渡階段有鉛、無(wú)鉛混用應(yīng)注意的問(wèn)題 17 關(guān)于過(guò)渡時(shí)期無(wú)鉛焊接可靠性的討論 17 錫晶須問(wèn)題 18 空洞、裂紋及焊接面空洞或稱微孔 18 金屬間化合物的脆性 19 機(jī)械震動(dòng)失效 20 20 電氣可靠性 20 無(wú)鉛焊接可靠性討論小結(jié) 20 隱蔽的缺陷使無(wú)鉛產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性增加了不確定的因素 21 影響無(wú)鉛產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性的因素 21第6章無(wú)鉛焊料及其可靠性的研究進(jìn)展 22 無(wú)鉛焊料及焊點(diǎn)的成分、組織與性能 22 SnAg 系合金SnAg 22 SnZn 23 SnBi 24 SnSb 系與SnIn 24 無(wú)鉛焊料的微電子應(yīng)用與可靠性問(wèn)題 25 焊點(diǎn)的剪切疲勞與蠕變問(wèn)題 25 電遷移（Electromigration）問(wèn)題 26 無(wú)鉛焊料引入的新的可靠性問(wèn)題 26第7章無(wú)鉛技術(shù)最新動(dòng)態(tài) 28 28 無(wú)鉛制造進(jìn)展迅速 28 無(wú)鉛系統(tǒng)開發(fā)任重道遠(yuǎn) 29 無(wú)鉛焊料呈現(xiàn)系列化和多樣化 29 無(wú)鉛元器件正重點(diǎn)突破 30 無(wú)鉛設(shè)備/工藝力求精益求精 30 無(wú)鉛的可靠性正廣泛試驗(yàn) 30 無(wú)鉛凸點(diǎn)制備有待推廣 30 無(wú)鉛標(biāo)準(zhǔn)尚待統(tǒng)一 31第八章 結(jié)論 32致 謝 33參考文獻(xiàn) 34II無(wú)鉛焊料的可靠性第1章 緒論無(wú)鉛焊料的發(fā)展將金屬鉛用作低溫焊料已有多年的歷史，其優(yōu)點(diǎn)在于鉛錫合金可在較低溫度下熔化，而且鉛的儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜。但隨著人們環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，作為污染土壤和地表水的潛在因素，業(yè)界對(duì)鉛的使用限制越來(lái)越多。 90年代初，美國(guó)率先提出了無(wú)鉛工藝率并制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制產(chǎn)品中的鉛含量，但由于當(dāng)時(shí)無(wú)鉛工藝還不成熟，加上這樣做會(huì)加大廠商的制造成本，所以標(biāo)準(zhǔn)最終未能執(zhí)行。據(jù)悉，摩托羅拉今年通訊產(chǎn)品中的無(wú)鉛產(chǎn)品將占5%以上，2010年全部實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛化；日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)將在2005年全部實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛化；歐洲委員會(huì)限制使用含鉛產(chǎn)品的立法也將于2006年1月1日生效。由于無(wú)鉛電鍍和含鉛電鍍的工藝基本是一樣的，故電鍍的無(wú)鉛化難度相比貼裝無(wú)鉛化要簡(jiǎn)單一些，關(guān)鍵是要選擇適當(dāng)?shù)奶娲辖?，使鍍層質(zhì)量和使用性能能夠滿足焊接要求。使用性能包括：濕潤(rùn)性(潤(rùn)濕角、一定溫度下的潤(rùn)濕時(shí)間)、與焊料接合強(qiáng)度、回流焊后的氣孔、抗老化性能等。大量實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)采用傳統(tǒng)的鉛錫焊料時(shí)，這些新鍍層的使用性能與PbSn鍍層不相上下；但當(dāng)改用無(wú)鉛焊料時(shí)，必須把回流焊溫度提高到260℃才能達(dá)到PbSn焊料在235℃回流焊時(shí)的潤(rùn)濕及結(jié)合程度。 選擇無(wú)鉛焊料的原則是：熔點(diǎn)盡可能低、結(jié)合強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)。 ：熔點(diǎn)217℃，Cu的引入不僅降低了熔點(diǎn)，且顯著改善了潤(rùn)濕性能。對(duì)有引線及無(wú)引線元件的熱循環(huán)試驗(yàn)表明，SnAgCu不比SnPb焊料差。日本推薦的則是略經(jīng)改進(jìn)的SnAgCuBi合金。但該合金對(duì)鉛極為敏感，極少量的鉛也會(huì)使其熔點(diǎn)降至96℃，當(dāng)線路板暴露在100℃以上溫度下時(shí)，焊點(diǎn)就會(huì)脫落。 SnZn系列：包括SnZn和SnAgZn。Zn在空氣中會(huì)迅速氧化，形成大量氧化皮，故該焊料必須在完全無(wú)氧的環(huán)境下使用，此時(shí)其潤(rùn)濕性接近SnPb焊料，但Zn在固態(tài)下仍易于腐蝕，從而降低了焊料的耐腐蝕性，因此，該合金的廣泛使用仍存在著無(wú)法逾越的障礙。但要徹底實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛化，難度仍然很大，因?yàn)闊o(wú)鉛焊接的溫度在260℃以上，這對(duì)元器件和面積較小的PCB而言，是可以接受的；而對(duì)面積較大的PCB，將有可能引起變形、翹曲等。 另一方面，正如本文開始時(shí)所提及的，貼裝行業(yè)對(duì)環(huán)境的污染主要是由廢棄造成的。從這個(gè)意義上看，無(wú)鉛化只是減少表面貼裝業(yè)對(duì)環(huán)境污染的臨時(shí)措施。電子工業(yè)中大量使用Sn/Pb合金焊料是造成應(yīng)用污染的重要來(lái)源之一。另外特別強(qiáng)調(diào)電子產(chǎn)品的廢品回收問(wèn)題。無(wú)鉛焊料已進(jìn)主實(shí)用性階段。我們應(yīng)該做好準(zhǔn)備，例如收集資料、理論學(xué)習(xí)等。焊接后對(duì)各焊點(diǎn)檢修容易；⑸成本要低，所選用的材料能保證充分供應(yīng)。目前常用的無(wú)鉛焊料主要是以SnAg、SnZn、SnBi為基體，添加適量其它金屬元素組成三元合金和多元合金。熔點(diǎn)偏高，比SnPb高3040度潤(rùn)濕性差，成本高。SnBi降低了熔點(diǎn)，使其與SnPb共晶焊料接近，蠕變特性好，并增大了合金的拉伸強(qiáng)度；延展性變壞，變得硬而脆，加工性差，不能加工成線材使用。即元件的焊接端頭和引出線也要采用無(wú)鉛鍍層。助焊劑要開發(fā)新型的潤(rùn)濕性更好的助焊劑，要與加熱溫度和焊接溫度相匹配，而且要滿足環(huán)保要求。 工藝無(wú)鉛焊料的印刷、貼片、焊接、清洗以及檢測(cè)都是新的課題，都要適應(yīng)無(wú)鉛焊料的要求。但在工藝方法上，無(wú)鉛焊料還存在很多缺點(diǎn)和不足，急需解決。多數(shù)專利是在主要元素基礎(chǔ)上，通過(guò)添加微量元素來(lái)改善焊料的性能，但有的專利由于組元太多，在生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生困難。自歐盟頒布WEEE/RoHS法令以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)無(wú)鉛焊料都進(jìn)行了大量的研究，無(wú)鉛焊接技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 焊接的浸潤(rùn)性不良主要表現(xiàn)為焊錫不擴(kuò)展，焊錫的流動(dòng)性差，焊錫沒(méi)有布滿整個(gè)焊盤而缺焊。 熔點(diǎn)高無(wú)鉛焊料普遍比SnPb焊料的熔點(diǎn)高出30℃以上，由此會(huì)帶來(lái)：對(duì)于耐熱性較差的元器件容易造成熱損傷；容易導(dǎo)致平面基板彎曲變形。⑴焊池中焊料由于溶銅、溶鉛容易受到污染；⑵被焊的基體易溶入到焊料中（例如銅細(xì)絲的溶解斷裂）；⑶焊接時(shí)金屬間化合物生長(zhǎng)過(guò)剩；⑷溶焊、回流焊的焊池材料因?yàn)榻饘偃芙舛桓g，導(dǎo)致過(guò)早報(bào)廢。 SnAgCu系在幾個(gè)候選合金系統(tǒng)中，SnAgCu系是新一代代表性焊料，并正在世界范圍內(nèi)推廣使用。以下為幾種推薦使用的SnAgCu焊料配比。有關(guān)無(wú)鉛SnAgCu合金焊料，在國(guó)內(nèi)就有14 個(gè)、美國(guó)約22個(gè)已授權(quán)的專利。 SnAgCu缺點(diǎn)⑴熔點(diǎn)比SnPb共晶合金高，這是制約這種無(wú)鉛焊料推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸；⑵浸潤(rùn)性比SnPb焊料差?？斩吹某霈F(xiàn)與焊料本身的強(qiáng)度關(guān)系不大，通過(guò)改善焊接工藝一般在焊態(tài)可以避免，隨著服役過(guò)程的熱力循環(huán)，空洞逐漸發(fā)生和發(fā)展。 SnCu系SnCu系焊料價(jià)格便宜，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)是不可多得的熔焊用焊劑。但當(dāng)溫度超過(guò)100℃，彌散相會(huì)變粗大。目前這種焊料還不宜用于高可靠要求的組裝場(chǎng)合。由于合金的熔點(diǎn)在227℃以下，釬焊條件與傳統(tǒng)的SnPb相比變化不大。 SnCu優(yōu)點(diǎn)：⑴材料價(jià)格便宜，Cu礦產(chǎn)資源豐富；⑵慢冷時(shí)焊接處表面的孔洞較少。SnCu系焊料的熔融溫度比Sn AgCu合金焊料要高出約10℃；⑵浸潤(rùn)性較SnAgCu焊料差，僅限于單面基板上的熔焊等應(yīng)用；⑶耐高溫性能較差；⑷和Cu基體結(jié)合的界面處不平整，容易形成克根達(dá)耳孔洞；⑸與鍍Pb元器件兼容性差（易出現(xiàn)熱斷裂）；⑹電鍍SnCu時(shí)，在某些基板上有可能出現(xiàn)晶須而在密集線路之間發(fā)生短路。目前在歐美等國(guó)，SnZn焊料已經(jīng)實(shí)用化，日本廠家則通過(guò)改良焊劑，在大氣中釬焊，已達(dá)到不亞于SnPb焊料的組裝效果。SnZn系焊料與其他含Bi焊料同樣，與SnPb電鍍層之間也存在兼容性問(wèn)題。對(duì)焊料的最佳成分組成仍需要進(jìn)一步研究，但在不降低浸潤(rùn)性的范圍內(nèi)Bi含量越低越好，以提高焊接的可靠性。 Sn Zn缺點(diǎn)⑴Zn較活潑，容易氧化腐蝕，必須在氮?dú)獾确腔钚詺夥罩羞M(jìn)行回流焊；⑵浸潤(rùn)性極差，這是阻礙SnZn合金焊料應(yīng)用的主要原因之一（目前已有通過(guò)對(duì)SnZn的合金化改性來(lái)改善其浸潤(rùn)性，并取得了一定效果。 SnAgInBi系目前研究的無(wú)鉛焊料主要是SnAg系合金，由于其優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性和可操作性而被作為首選的替補(bǔ)焊料。而在Sn中添加適量的In和Bi則可有效地降低合金熔點(diǎn)，并改善浸潤(rùn)性。焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度會(huì)隨Bi添加量的增加而降低。在SnAg系合金中添加In同樣能使合金的熔點(diǎn)降低，而對(duì)機(jī)械性能影響較小。 SnAgInBi優(yōu)點(diǎn)⑴In，Bi可以大幅降低焊料熔點(diǎn)（接近SnPb 焊料）；⑵可靠性高，連接強(qiáng)度高（略強(qiáng)于SnPb焊料）。同時(shí)對(duì)雙面通孔基板使用無(wú)鉛焊料進(jìn)行波峰焊時(shí)產(chǎn)