行业动态:低温无铅焊接技术的未来及展望

2013年04月21日

    继欧盟、中国、韩国有关环保法规出台,绿色制造已成为全球不可阻挡的潮流。低温无铅焊接技术已成为各国争相研究的课题。

 

无铅焊接技术采用Sn/Ag/Cu系列合金已成为全球共识。由于Sn/Ag/Cu合金熔点(216~225℃)大大高与Sn/Pb共晶合金熔点(183℃)。为了使Sn/Ag/Cu合金很好润湿母材,必须提高再流焊接峰值温度,其峰值温度达到240~250。为了改善印制板组件温度分布的均匀性,必须采用多温区的再流焊接设备。

 

但是对于某些LED、电解电容等热敏元器件的印制板组件必须进行低温无铅焊接,否则将影响元器件性能。为此必须开发接近Sn/Pb共晶焊料熔点(183℃)的焊料和使其再流焊峰值温度保持在220~230℃的焊接技术。

 

目前已开发的低温无铅焊料有Sn/Zn系,Sn/AgInBi)系,Sn/Bi系等。但其应用仍存在一定问题。本文将分三部分:一
、低温无铅焊接技术现状与可靠性 二、低温Sn/Bi/Cu无铅锡膏及其应用 三、低温无铅焊接技术展望

 


、低温无铅焊接技术现状与可靠性

 

1Sn/Zn

 

目前通用的无铅Sn/Ag/Cu合金熔点在216~225℃,因此要求元器件与部品有良好的耐热性。而Sn/Zn共晶合金熔点在199℃。为了改善其润湿性,可添加3%Bi,则熔点可下降到193℃。这样就和Sn/Pb共晶的熔点183℃非常接近,完全可以使用原有的再流焊接设备,而有利于现有资源的利用和有利于节能和环保。

 

但是Zn及易氧化,必须开发与此相应的助焊剂,以使Sn/Zn锡膏在大气中具有良好的润湿性,才能进行良好的再流焊接。目前日本在这方面有所研究和应用,但是由于Zn极易于Cu反应,在高温下Zn将和Cu形成Zn/Cu合金,而在130
以上使焊接界面劣化。在高温高湿的环境下,由于Zn极易氧化而进入合金内部和沿界面渗透,而使接合强度低下。

 

此外,虽然Bi的添加可改善可焊性,但对于Sn/Pb电镀的印制板非常不利。为此开发有Sn/7Zn/Al即添加30ppmAl的焊料,可改善对Cu的润湿性和形成良好的焊接界面。

 

因此,目前Sn/Zn系列的实际应用还存在许多问题,有待进一步研究。

 

2Sn/Ag/In

 

Sn/Ag合金中添加In,不会损失原有合金机械强度,同时可以使熔点下降。

 

添加8%InSn/Ag/In 系的液相温度将下降到206
。该系列合金在超过130
保存时,焊接强度不会发生劣化。但在-40~125
进行长期温度循环时焊接表面将发生变化。对于Sn/3.5Ag/8In 合金的焊点在-40~125
一千次循环是没有问题的。

 

但是由于In的价格较高,因此缺少实际开发的价值。

 

3Sn/Bi

 

Sn/Bi共晶合金(Bi58%Sn42%)熔点非常低,在139℃。为了确保其可焊性,在160℃进行低温焊接就可以实现,目前主要用于框架焊接。

 

但是由于Sn/Bi共晶焊料含 Bi较多,其组织内容易出现大而硬富Bi相,非常脆,因此可靠性能低下。

 

Sn/Bi焊料的机械性能与变形速率有很大的依存关系。其变形速率越大则延展性越差,添加Ag可略微改善其特性。

 

目前认为在 100℃时焊接强度不会受影响,但超过125
就明显劣化,将形成金属间化合物和空洞。同时对于Sn/Pb电镀印制板有可能形成低熔点液相。因此使用Sn/Bi无铅焊料时,必须特别注意。

 

3Sn/Bi合金的特点及加入第三种金属的意义

 

Sn/Bi合金具有熔点低,润湿性良好等特点,但也存在明显的缺陷如:

 

1
性脆;

 

2
易偏析、在界面处易形成连续富Bi层,且对杂质元素较为敏感,使可靠性变差;

 

3)在较高温度的应用场合下可靠性低。

 

Sn/Bi中加入某些金属,如铜、银等,可在焊接界面形成细小弥散的组织(如加入铜后形成Cu6Sn5)阻碍了Bi的富集与长大,从而提高了焊点的可靠性。

 

随着对无铅焊料研究的不断深入,SnBiCu合金的良好特性开始为业界所认知,并得到广泛的应用。

 

4Sn/Bi17/Cu0.5(SBC1705)Sn/Bi35/Ag1(Bi35Ag1)的比较

 

1SBC1705的固相线温度(190)Bi35Ag1151)高,可靠性较好;

 

2SBC1705Bi含量较低,降低焊点失效风险;

 

3SBC1705不含Ag。含银导致清洗要求增加,否则容易电化迁移导致电子电路失效(氢氧化物和硫化物电化迁移),特别是较低的银含量导致电化迁移和树枝结晶非常不稳定;

 

4SBC1705回流温度与63/37基本相同,工艺变动少,同时也更适合无铅元器件的焊接;

 

5SBC1705成本更低。

 

5Sn/Bi系锡膏的特点及选择

 

由于金属Bi较为活泼,易氧化,因此比较容易与锡膏助焊剂发生反应,导致在使用过程中粘度上升快或产生发干现象。在选择SnBi系锡膏时,除了必须保证焊点质量外,还应特别关注锡膏的实际使用寿命。若使用寿命不够长,则会在印刷后期严重影响下锡量及焊接质量,导致焊点品质前后不一致,不良率提高。

 

三、低温无铅焊接技术展望

 

低温无铅焊接技术是无铅焊接技术的终极目标,也是低碳经济的必然要求。

 

从有铅焊接技术到无铅焊接技术经历了十多年的时间,从可靠性上看无铅焊接技术仍不能取代有铅焊接技术,从能源上看无铅焊接技术能源消耗仍高于有铅焊接技术。但是人类从环保的要求出发,无铅焊接技术已成为不可逆转的潮流。因此低温无铅焊接技术研究与应用将是我们的唯一选择。

 

我们认为:

 

1 目前低温无铅焊接技术必然是多元化的。特别在可靠性的研究上,还存在问题,有待进一步加强。

 

2 Sn/Bi/Cu无铅锡膏是目前一种较好的低温无铅锡膏。基本上可适用于消费电子产品。

 

3 由于Sn/Bi/Cu合金具有国内专利,因此有利于Sn/Bi/Cu锡膏的推广应用。

 

4、进一步加强产学研的合作以加快低温无铅焊接技术的发展。

来源:深圳市鸿宇龙电子科技有限公司
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