绿色互联技术和无铅焊锡膏的发展现状与发展趋势

课 题： 绿色互联技术和无铅焊膏的

发展现状与发展趋势

院 （系）

专 业：

学生姓名：

学 号：

绿色互联技术和无铅焊锡膏的发展现状与发展趋势

XXX

（桂林电子科技大学 机电工程学院 微电子制造工程 广西 桂林 541004）

摘要:现在大多数电子组装公司还在使用传统的免清洗焊膏，然而更先进的产品正在悄然出现。本文重点介绍了绿色焊接材料——免清洗焊剂和无铅焊锡膏的发展历程及其主要性能、特点以及存在的题。阐述了国内外免清洗焊剂和无铅焊锡膏的研究现状及其发展趋势。

关键词：免清洗焊剂；无铅焊锡膏；环保；熔点；回流焊接工艺

Green and lead-free solder interconnect technology development

status and development trend

XXX

(School of Mechanical and Electrical Engineering of the Guilin University of Electronic Technology , Guilin, Guangxi 541004,China)

Abstract: Now most companies are still using traditional electronic assembly cleaning-free solder paste, but more advanced products

are being quietly. This paper focuses on green welding materials - no-clean lead-free solder paste flux and the development process

and its main performance, characteristics and existing problems. Expounded abroad lead-free solder no-clean flux and research status

and development trend.

Key words: clean flux; lead-free solder; environmental protection; melting; reflow soldering process

1引言

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。对于SMTT艺，无铅化指的是被焊电子元器件的外引线(包括表面涂层)、焊膏或焊料以及印制板焊盘(包括表面涂层)都必须是无铅材料。无铅焊接技术采用Sn/Ag/Cu系列合金已成为全球共识。无铅焊膏作为研究对象，摸索了其在现有的有铅SMT生产线上应用的可行性，以解决实现完全无铅化生产设备改进(或更换)投资巨大的困难。对于免洗焊剂，有关免清洗技术越来越受到人们普遍的关注，用户关心的仍然是两点：一是焊接质量，二是可靠性。

2.免清洗焊剂

现在大多数电子组装公司还在使用传统的免清洗焊膏，然而更先进的产品正在悄然出现。这些焊膏提供更佳的印制性能，较宽的再流曲线范围和更强的探针可测试性，同时也提供稳定的、一致的产品搁置寿命和批量一致性。本文概述了免清洗焊膏的新进展。

2.1残渣与可测试性

无法实现在线测试是从传统产品转向改进产品的另一个原因。传统的产品有残渣，对ICT来说它又硬又粘。硬的残渣由于不能穿透将产生非接触，粘的残渣将最终粘附测试探针 ，导致非接触。除了这些问题，传统的焊膏残渣通常在时间方面很苛刻，再流工艺后的ICT在2-4h内进，因此焊膏制造者的目标是软化残渣而不使它太粘。同时残渣应在几周内而不是几小时内可测试性。最新开发的免清洗焊膏正在解决这些问题。这些产品的残渣是软的，不粘的残渣，解决了测试问题而又不粘在探针上。这样焊膏残渣时经历几千次ICT测试或不粘附探针。

2.2 搁置寿命与一致性

免清洗膏是易反应的混合物，发生反应将改变整个产品的化学成份和性能。在冷藏温度下保存焊膏将降低这些易反应率，但不能阻止它们发生。焊膏性能的降低总是发生在容器内。传统焊膏的一般冷藏搁置寿命为3-4个月，能看到明显的性能降低。最新的焊膏已扩展6-12个月。这意味着在容器内的反应明显减慢。每批焊膏之间会有些变化是可能发生的，大部分这些变化在模板印刷机上得到反映，粘度上的明显波动会破坏印刷的可重复性。这些变化是传统焊膏的最大缺点，这在改进的焊膏中得到明显的降低。使得整个焊膏的化学成分更能控制。最新的焊膏产品具有可重复的和可靠的一致性。

3 焊膏印刷

3.1对无铅焊料的要求

无铅化是指电子产品的Pb质量百分比小于0.1，无铅焊料是指焊料中Pb质量百分比小于0.1。替代锡铅合金的无铅焊料，要求其熔点、物理化学性能、冶金性能、可制造性及生产成本等各方面尽量与传统的锡铅共晶合金接近。理想的无铅焊料应满足以下基本要求：

1)无毒性。焊料要对环境友好，绿色无毒。除了无铅，汞、福、六价铬、多澳联苯和多澳联苯醚等物质都是法令禁止的物质。焊料常用元素对生物的毒害大小依次为:Pb>Cd>Sb>Ag>Cu>Al>Sn>

Zn>In>Bio

2)无铅焊料合金的熔点应与SnPb合金的熔点(183 0C)相当，且固液相线间距窄，凝固时间短，以抑制凝固偏析，有利于形成组织均匀、性能优异的焊点。SnPb焊料使用已有几千年的时间，长久的应用过程中确定了一套合理规范的工艺及设备，开发的无铅焊料的工艺水平应该尽可能靠近SnPb焊料，这样原有工艺和设备都可以尽量少的变动，从而节约很多的人力物力财力。

3)润湿性良好。良好的润湿性可以促进焊料与元器件之间的冶金结合，提高焊点的可靠性。

4)具有优良的机械性能。无铅焊料的拉伸强度、剪切强度、延展率、热机疲劳性能、显微组织的安定性、蠕变性能等应不低于或高于锡铅焊料。

5)具有良好的化学性能。封装后的电子电路元器件应用于各种不同的环境下，有可能要经受强腐蚀、氧化、高温高湿、强电流等诸多考验，所以对焊点的耐腐蚀，抗氧化，电迁移等性能都要求严格。

6）成本合理、原料丰富、回收便利等。

3.2无铅焊膏的选择

目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的 Sn-Ag-Cu 焊料。Sn (3 ～ 4) wt％Ag(0.5～0.7) wt%Cu（wt%重量百分比）是可接受的范围，其熔点为 217 ℃ 左右。Sn-Ag-Cu合金，相当于在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点。因此 Sn - Ag- Cu 合金已成为国际上应用最多的无铅合金。关于Sn - Ag- Cu 系焊料的最佳成分，日、美、欧之间存在一些微小的差别。美国采用Sn3.9wt%3Ag0.6wt%Cu（wt%重量百分比）无铅合金,欧洲采用Sn3.8wt%Ag0.7wt%Cu无铅合金，日本采用Sn3.0wt％Ag0.5wt%Cu无铅合金。本文选择了免清洗无铅焊膏作为对象，96．5Sn3Ag90．5Cu合金熔点为217℃，63Sn37Pb合金熔点为183℃。

3.3模板印刷

模板又称漏板、钢网等，一般有化学蚀刻模板、激光切割模板和电铸模板，可根据产品的实际情况选择。

1)化学蚀刻模板。化学蚀刻模板一般为腐蚀铜模板，也有用不锈钢的，采用双面腐蚀。优点是价格便宜；缺点是存在侧腐蚀，窗口壁不够光滑，印刷时脱模效果差。较简单的电路板会采用此方法，如电路板上含0402元件、细间距器件、BGA.CSP等，一般就不采用此方法。

2)激光切割模板。激光切割是目前采用较为普遍的形式。它的好处是开口会自然形成上小下大的喇叭口形状，利于锡膏的脱离：不足之处是内壁较为粗糙，可以通过在切割完毕后镀镍，在开孔侧壁沉积上7～12岬的镍层，或者用化学抛光或者电解抛光的方法除去毛刺，达到改善脱模性能，消除印刷毛刺。

3)电铸模板。电铸模板采用加成法制作，尺寸精度高、孔壁光滑，适合于间距0.4mm以下的超细间距印刷，但价格昂贵，制作周期长，目前较少使用。

三种模板制造方法的比较

本文选择激光切割模板，无铅焊膏的脱模性更好，不粘版，印刷质量较高，印刷速度也得到提高，有效保证了无铅焊膏的印刷质量。

3.4焊膏粘度的测量

焊膏的粘度对于印刷是个很重要的指标，粘度过低会造成印刷时焊膏冷塌落，而过高则会影响印刷的速度和焊膏的脱模性。为了能更好的了解现在应用的免清洗63Sn37Pb焊膏的使用状态，采用MALCOM的焊膏粘度检测仪对96．5Sn3Ag0．5Cu的免清洗无铅焊膏和63Sn37Pb免清洗焊膏进行了对比测量，结果如表l所示。从结果可以看出，采用的免清洗无铅焊膏与现在使用的有铅焊膏粘度相当，适用于现行的印刷工艺，实践证明采用高聚物模版印刷无铅焊膏同有铅焊膏一样可以获得高质量印刷。

焊膏粘度测量

3.5印刷速度

从90年代初期到中期，大多数焊膏的最高印刷速度被设计为2.54-5.08cm/s，因为SMT工程师认为整个生产线的速度不仅取决于模板印刷机的速度。因此印刷速度被设置得非常低，以此来最佳化焊膏的滚动性能和印刷清晰度。然而随着快速贴片设备的发展，SMT生产线的速度有了极大的提高，模板印刷工经常成为生产工艺的瓶颈处。这导致SMT工程师要求焊膏能够实现10.16-20.32cm/s的印刷速度，而在印刷质量中没有任何的实质退化。减小粘度有助于提高传统焊膏的印刷速度和闲置时间，但是只简单地减小粘度将不能解决这些问题。减小粘度会出现其它一些问题，包括冷却坍落，不良的块状清晰度(潜在桥接原因)和不良的温度和湿度稳定性。因此减小焊膏粘度而不增加焊膏的坍落是很重要的。最新的焊膏可提高闲置时间和印刷速度而不引起更多的与坍落有关的缺陷。粘度和坍落不是必定相关的，减小粘度的焊膏容易坍落，但这不是必然结果。通过调整焊膏的化学成分可改善焊膏的抗坍落性能，使焊膏粘度降低而在坍落性能上没有任何变化。

4 回流焊接工艺

4.1无铅回流焊温度

由于无铅焊料的高熔点，对温度曲线的要求将会有一点改变，因此在回流设备的设置上也需要有一些变化。一个基本的改变，就是在回流期间需要一个更为平坦的温度曲线变化。由于更小的工艺窗口，峰值温度和高于液化温度的时间（TAL）的要求必须被达到，同时不能使组件或器件过热。一个长的回流区域和对产品的高效率热传导是必须的。针对回流需要使用两个温区或者在回流温区采用相反峰值爬升的方法，这一问题可以被解决。采用这种方法时，使倒数第二个加热区相对最后一个加热区维持一个更高的温度，从而更快地将热量传导到板子上。最后一个温区则用来在组件上维持一个一致的温度。