无铅焊料的选取
[摘要]在无铅化制造的潮流下，很大部分电子组装厂正在使用或试用无铅焊料，然而部分中小型和内陆电子组装厂，还对无铅焊接知之甚少，或者受资金和技术的限制，而无力跟进。
[关键词]无铅焊接无铅焊料SnPb SnAgCu SnAg
近几十年来，全球电子电气工业呈现膨胀式发展，电子产品更新换代非常迅速。人类在享受电子电气工业带来的方便和益处的同时也面临堆积如山的电子垃圾，世界各国处理报废电子电气产品的负担越来越重。电子电气垃圾给全球生态环境造成的消极影响正越发严峻。2003年2月13日，欧盟委员会颁布WEEE和RoHs两指令，其中RoHs指令规定，自2006年7月1日起，进入欧盟市场的电子电气产品禁用6类有害物质。由此电子产业掀起了一股“绿色”风暴，电子电气产业也随之进入了“无铅制造时代”。
由于传统的焊料成份63Sn37Pb，在目前的电子装联行业，被广泛使用。要实现无铅化制造，必然面临无铅焊料的选择，广泛的研究表明，没有一种无铅合金可以直接替换铅锡合金。因此，人们花了很大力气研究和开发能够代替铅锡焊料的合金，面对纷繁的无铅焊料种类和成分，无铅焊料的选择主要考虑以下几个方面。
（1）金属的价格和金属的资源考虑，尽量选择低成本和全球供应充分的金属。很多电子制造大厂表示，目前市场上无铅焊料供应充足，但要采购到在性能和价格方面都能满意的产品很难，无铅焊料价格平均高出有铅1倍以上。
在考虑价格时，不但要考虑单位重量的价格，也要考虑单位体积的价格。例如，Sn96.5Ag3Cu0.5与Sn63Pb37之间在密度上的差别几乎达到20%。因此，如果一公斤的Sn63Pb37 产生1,000瓶的锡膏，那么0.8公斤的Sn96.5Ag3Cu0.5也将产生同样1,000瓶锡膏。从表1中可以看出，单位体积相对成本比单位重量相对成本普遍低20～40％。另外，有些无铅焊料还受专利限制，增加了大约2~8%的合金成本。
早期的无铅焊料主要使用Sn96.5Ag3Cu0.5（SAC305）和Sn95.5Ag4Cu
0.5（SAC405），这两种焊料由于含有比较贵重的银金属，又受专利保护，价格相对较高。目前价格较低的Sn99.3Cu0.7合金受到越来越多的青睐。
（2）熔点选择。大多数装配厂家(不是所有)都要求焊料固相温度最小为150℃，以便满足电子设备的工作温度要求，最高液相温度则视具体应用而定。例如：波峰焊用焊条，液相温度应低于炉温260℃；再流焊用焊锡膏，液相温度应低于回流焊温度250℃。对现有许多回流焊炉而言，该温度是实用温度的极限
值。许多工程师要求最高回流焊温度应低于225～230℃，人们普遍认为合金回流焊温度越接近220℃效果越好，能避免出现较高回流焊温度是最理想不过的，因为这样能使元件的受损程度降到最低，最大限度减小对特殊元件的要求，同时还能将印制板变色和发生翘曲的程度降到最低，并避免焊盘和导线过度氧化。
对于无铅焊料而言，熔点低或越接近SnPb焊料越有利。然而目前大部分无铅焊料的熔化温度比SnPb焊料要高大约30-40℃，在工艺上将要求预热时间延长，预热和焊接温度提高，这样对印制板和元器件的耐热性提出了更高的要求。选择低熔点的无铅焊料将是业者不断的追求。
（3）导电、导热等物理参数因素。影响电子制造工艺及其产品可靠性的焊料物理性能主要包括：表面张力、电阻率、热导率以及热膨胀系数等，详见表3。
电阻率直接影响导电性能，良好的导电性是电子连接的基本要求，从表3中可以看出无铅焊料的导电性能都优于SnPb合金。
热导率的大小决定焊点的散热速度，为了能散发热能，合金必须具备快速传热能力。作为金属合金，无铅焊料一般都能满足散热要求。
焊料的表面张力是一个不利于焊接的重要因素，其值越大，润湿性能越差，焊点的可靠性就越差。在焊接过程中，降低焊料表面张力可以提高焊料的润湿力。
热膨胀系数由于缺乏相关数据无法进行比较，但都比铅锡共晶焊料大。热膨胀系数过大将会影响焊点外观，严重的将会产生收缩效应或热裂。
（4）润湿能力比较。焊接合金的固有润湿能力是一个重要的性能指标，它直接影响到焊接互连的完整性。这种固有润湿能力也控制着动态焊接过程（波峰焊接或回流焊接）中的产量和成品率。除此之外, 在焊剂有效的化学作用下，焊料对电路板和元件的可焊度，直接影响着焊点的质量。
焊料的表面张力直接影响润湿性能，表面张力越大，则润湿性能越差。通常评估润湿性能用润湿时间以及最大润湿力来表示。部分无铅焊料的润湿时间见表4。一般要求在245℃时，润湿时间为1秒左右为佳。据最新的研究成果，SnCu 系焊料添加铌或铌和铋，能大大改善润湿能力，以及焊点外观和可靠性。
（5）良好的机械特性。合金必须能够提供63Sn37Pb所能达到的机械强度和可靠性，综合各机构的研究报告，现有的无铅焊料的机械性能基本上能满足制造与使用要求；但早期的Sn42/Bi58和Sn91/Zn9虽然熔点较低，但材料的抗拉强度太差，基本已没有市场。
（6）低毒或无毒性，合金成分中要求无铅、无镉、无汞以及无六价铬（禁止使用6种有害物质的要求）。有些人也要求不能采用有毒物质所提炼的副产品，因而又将铋排除在外，因为铋主要来源于铅提炼的副产品。
（7）尽量与现有的焊接设备和工艺兼容，可在不更新设备、不改变现行工艺的条件下进行可靠焊接。无铅化制造不可能以报废现有设备为代价，目前业者普遍采用如下选择：回流焊一般采用SnAgCu（SAC305或SAC405），波峰焊和手工焊一般采用SnCu0.7。
结论：到目前为止，要选择同时满足上述条件的无铅焊料还比较困难，满意的替代Sn-Pb体系焊料的无铅焊料也还没有出现，已出现的无铅焊料都存在有这样或那样的问题。无铅焊料还需继续研究改进，逐步提高性能并降低成本，在满足电子产品可靠性要求和降低成本方面取得突破。各企业需要结合各自的产品情况、设备状况以及工艺技术应用情况，进行综合考虑。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”
