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摘要：锡电子焊料具有广泛的应用领域。本文概述了锡焊料的发展现状及所取得的研究成果,并展望了发展前景。
关键词：锡焊料；应用现场；发展趋势
1.锡电子焊料研究现状
1.1技术的应用
锡软钎焊在技术上是可行的,但是电子组装焊接是一个系统工程,还必须从系统工程的角度来解析和研究以下几个方面的问题:
元件:耐更高温度,而且元件内部连接和引出端(线)也要采用锡焊料和吞铅镀层。
PCB:耐更高温度,焊接后不变形,表面镀层与锡焊料兼容,而且成本低。助焊剂:氧化还原能力更强和润湿性更好,与预热温度和焊接温度相匹配,而且环保。
焊接设备:锡钎料的工艺窗口要窄得多,需要更具柔性的回流焊设备和工艺。例如增加温区数目,减小每个温区的尺寸以便在高温时更好控制,同时需要较长的峰值温度时间来保证充分铺展;锡锅要耐腐蚀。氮气保护有助于提高有机材料的稳定性、缩短润湿时间和峰值温度时间,但是投资与成本增加。
检测:锡焊点的表面比较粗糙、光泽较暗,而且由于浸润性较差,使得焊点形容易发生变化,对焊点质量的目测及X射线检测方法需要作改进。
废料回收:从含Ag的Sn基焊料中分离Bi和Cu非常困难,这带来了新的研究课题。
1.2材料应用的经济性
考虑合金的价格因素时,必须与相应的生产工艺相联系。波峰焊工艺中主要使用合金棒材,因此对生产成本影响大;回流焊工艺中所使用的焊膏中合金成本只占很小一部分,因此对生产成本影响很小。另外,锡焊料的密度比Sn-Pb的小,单位体积可减少10%以上焊料的用量,因此对降低生产成本有利。锡焊料与Sn一Pb焊料棒材和焊膏的相对价格0.2%。增加集成生产的周期:由于需要较长的峰值温度时间来保证锡焊料的充分铺展,这样会增加生产周期,同时增加设备的维护时间。SPACE统计分析表明,周期延长15%,每周在加热炉的维修上要多用,生产周期的延长至少会造成经济损失,而维修时间的增加则导致利润损失。
1.3可靠性
锡焊料的引入带来了下列新的可靠性问题:①锡焊料普遍熔点高,Sn含量高,使Cu的溶解和扩散率增大,可能导致焊点提前失效。②多数锡焊料成分偏离共晶点较远,其固液相线温度间隔较大,钎焊过程中,焊料往往处于部分熔融或凝固的状态,极易导致“虚焊”现象。③元件基材和电路板材通常都是聚合物,还不能确定锡焊料对其是否有不良影响。④锡焊料较易产生锡须问题,容易引起短路。此外,Ag、Zn、Cu等元素对H、lC的超电势都很低,易引起焊接区残留的H+、lC迁移产生电极反应,从而引起短路。如何抑制电迁移的破坏作用,目前更缺乏研究。对于锡焊料,应该指出,长期服役应用的经验和数据还比较缺乏。
2.锡焊料应用的进展
日本从市场竞争的角度出发,提出绿色电子产品的概念,主动实施电子产品锡化并在商业应用方面处于世界领先。最大的问题在于是否所有产品都需要对整个过程进行重新设计和质量验证。如果厂家能与供应商协调工作将有助于降低费用。此外,还有能源费用。过程温度的提高将消耗更多的能源,其实这些费用还不到整个产品费用。目前锡焊接设备已完全达到焊接的温度、维护保养、焊点质量等要求。如广东长荣电子、香港的U、台湾地区的科隆和建时达、韩国高信、德国、日本松下等许多电子设备厂家都能生产锡焊接的回流炉、双波峰炉等设备,有三区、五区、六区和七区加热、冷却区段,以满足不同锡焊料的温度特性;有氮气FLOW和REFLOW炉供选择川。
3.我国锡焊料的研究现状
我国锡焊料发展的历史不长,起步较晚,研究工作主要集中在大专院校和科研院所,结合我国资源优势,形成了一些具有自主知识产权合金配方体系,其性能指标具有特色。对锡焊料合金粉体的制备技术也开展了研究,在粉末形貌、氧含量、粒度控制和工艺稳定性方面有了很大进展。虽然国家“十五”863计划对锡焊料的研究开发给予了支持,近几年锡生产也已经成为一些研讨会的主题,但中国的元器件和PCB供应商对锡生产的准备和意识仍相对较弱,有关锡生产的一些具体技术问题和标准也没有在相关上下游企业中进行过有效的协调。多数中国的大型电子制造商对具体实施都还抱观望态度,而很多地方上的中小型电子制造商因为成本的原因根本就不打算实施无铅生产。
目前,锡制造方案和成本已趋于合理,锡生产设备和焊料的价格不断下降,电子锡化运动已经日益蓬勃地发展起来。从本质上说,电子贴装行业对环境的污染主要是由废弃造成的,因此,着重绿色产品即可回收产品的设计与开发,才能从根本上消除电子行业对环境的污染。从这个意义上看,锡化只是减少表面贴装业对环境污染的临时措施。
我国在今年年底即将出台由信息产业部等六部委联合下达的《电子信息产品生产污染防治管理办法》,核心内容是要与欧盟保持同步,含铅等有害物质的电子产品要进行减量化生产并在禁止生产。我国有了关于锡焊料的国家标准.在这种形势下,中国的钎焊材料厂家应该密切跟踪国际上锡软钎焊的研究进展,积极开展相关锡焊料质量与可靠性评定,提前进行柔性生产规划。毫无疑问,根据市场变化适时地生产绿色锡电子环保产品,将为企业赢得更大的市场,提供一个难得的机遇。电子锡化运动不仅可以保护生存环境,改善人民健康状况,而且对我国今后在国际贸易中的地位更具有深远的意义。
4.我国锡焊料的展望
锡生产涉及整个电子制造业上下游产业链的几乎所有领域。由于一些锡电子产品在可靠性和可制造性、成本等方面的不足,制造商有惰性是自然的。一些反对者争论说,电子制造业中的铅污染远没有其它行业所带来的铅污染严重,而且铅替代金属开采和产量的增加也会带来新的环保问题,全面实现锡生产可能得不偿失。但随着欧盟WEEE/RoHS指令的生效,电子产品锡化的实现只是时间问题而已,进程已经不可逆转和拖延。推行锡生产的主要障碍除技术和成本因素外,整个产业链的步调能否协调一致也是一大挑战。为了应对这些问题,区域性的制造商叙盟已经出现。
参考文献
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