无铅锡膏技术（可编辑）

无铅锡膏技术 摘要：本文主要论述无铅焊料的必要条件，无铅锡膏技术原理，再流焊工艺技术、无铅免清洗锡膏的性能特点、低银无铅锡膏与低温锡铋铜无铅锡膏众所周知锡膏是表面贴装工艺技术的重要辅料。锡膏的好坏直接影响表面贴装印刷工艺和再流焊工艺直通率。随着电子产品绿色制造时代的到来，全球对无铅锡膏有越来越大的需求，因此国产锡膏与进口锡膏在“市场-技术-标准”上的竞争将进一步加剧。为此加大国产锡膏的研制与应用，以及制订相应的标准就显得尤为必要。从2005年起我国电子制造无铅化进程已进入实施阶段，我国无铅锡膏的研制与应用也取得了长足的进步，其中如亿铖达、唯特偶、同方、华庆等都已开始生产无铅锡膏，有些产品已达到或接近国外知名品牌如Alpha, Tamura等。特别是第二代低银无铅锡膏，由于避开专利并具有极佳的性价比，更有利于占领市场。我们深信国产无铅锡膏研制与应用的春天即将到来，中华品牌表面贴装锡膏也将崛起于世界之林。本文将就有关无铅锡膏问题进行具体论述。无铅焊料的必要条件电子工业用60/40、63/37焊料已有50多年的历史，已形成非常成熟的工艺，因此要取代有铅焊料必须满足一些充分而必要条件。见图1首先从电子焊接工艺的要求出发，为了不破坏元器件的基本特性，所用无铅焊料熔点必须接近锡铅共晶焊料的熔点183，这是由于熔点高的焊料将超过电子元件的耐热温度，同时由于再流焊炉制约，因此不可以使用熔点高的焊料。其次从可焊性的观点出发，必须与电子元件及印制板的镀层铜、镍、银等有良好的润湿。从电子产品的可靠性出发，为了形成良好的冶金结合的焊点，焊料本身的机械强度是非常重要的。特别要求焊点具有耐热疲劳性能，这是由于电子产品在使用过程中不可避免的会产生发热现象而产生热膨胀，同时在不使用时温度下降会产生收缩，如此反复循环将在焊点处发生热疲劳现象。从焊接的实际操作来看，希望焊接缺陷少是非常重要的。特别是桥接、拉等不良缺陷均和焊料的润湿性密切相关。在再流焊接时，由于母材表面氧化，为了提高焊接的去氧化作用，必须使用有活性的助焊剂予以去除，但是这样将产生残留物而出现腐蚀和电迁移等现象。同时，在流动焊时，由于波峰焊产生的氧化锡渣也是一个问题，不仅造成焊点不良率上升，同时也增加成本。此外焊膏的保存性是进行良好印刷的必要条件。由于在存放期间焊膏内的助焊剂与合金发生反应而劣化，造成粘度升高，印刷不良等。以上均是无铅焊料必须考虑的问题。从这些观点出发来选择适当的无铅焊料是非常重要的。表1所示的是从1980年以来开发的无铅共晶合金的特性比较。在此基础上发展了当前实用的锡银铜等主流无铅焊料.无铅锡膏技术原理无铅锡膏系由无铅锡粉与助焊剂混合而成的均匀膏状物体，必须具备可印刷性、可焊性与可靠性等特点。优质锡膏对锡粉的要求是：1. 稳定的化学成分2. 杂质水平3. 颗粒大小和形状4. 颗粒分布5. 表面化学状态优质锡膏对助焊剂的要求是：1. 松香溶剂载体不可干燥过快，也不宜过慢。过快形成保护膜硬化不利焊接，过慢形成的松香膜内会有一些熔化的锡膏，在溶剂迅速挥发时会导致溅射。2. 要求具有双活性的活性物质。3. 要求有触变性能优良的流动助剂。4. 要求有抗氧化剂等。再流焊工艺技术从锡铅焊料到锡银铜焊料，在实际操作时将发生很大的变化，主要有：（1）目前最常用的锡-3.0银-0.5铜其熔点在217-219，在进行再流焊时，可操作的最低工艺温度应为液相温度加10，这就比锡铅共晶焊料的熔点高出40。不难看出操作温度的上升与元器件的耐热温度（240）的差距将大幅减少，因此必须较以往有更正确的工艺温度管理。此外由于印制板的多样化，热容量不同的元器件均会有10的温差，因此必须提高预热温度和时间。再流焊设备必须进行多温区加热以减少温度误差，成为一项有效的措施。见图2。这样由于熔点的上升，焊接工艺和设备都将发生重大的变化，为此实行锡银铜焊料的无铅化，降低其熔点将成为一个被关注的问题。（2）一般认为锡银铜比锡铅润湿性低，其扩散率在75%-80%，比锡铅下降15%左右。为了提高可焊性在助焊剂中增加活性剂是必要的，但会造成粘度升高等不良现象。另外由于无铅焊料表面张力比有铅焊料高，在同样条件下润湿性也会变差。 3 由于无铅焊料的熔点高，因此必须考虑峰值温度与元器件的耐热温度的适应性（230-240），因此预热终点温度要高。使有热容量差异的元器件温度能达到均匀。此外由于元器件与母材的氧化，焊膏活性的损失容易产生焊球，当用锡铅焊膏的助焊剂用于锡银铜焊膏时必须提高预热温度和预热时间，这样由于焊接温度的变化将带来担心，因此必须开发用于无铅锡膏的助焊剂。 4 印刷工艺过程中由于焊膏内助焊剂与粉末的反应，在粉末表面有有机金属化合物与有机金属盐析出，造成流动性下降，粘度升高，给印刷性能带来影响，成为焊接不良的原因。 无铅免清洗锡膏的性能特点无铅免清洗锡膏为适用于高速印刷及贴装生产线，应具有优良的流变性、抗热坍塌性及高稳定性，但是经常发现有些品牌锡膏品质不稳定，普遍的现象是产品试样时性能都可以，但一旦批量使用后就经常出现品质波动，如使用过程中锡膏粘度变大甚至发干、印刷质量随时间下降、焊接不良率波动严重等。很多人认为这种波动可能是由于锡膏厂商在生产过程中控制不严所造成。其实，由生产控制问题产生的波动只占一小部分，其它如锡粉品质，助焊剂的稳定性等都是可能引起锡膏品质波动的重要原因，其中助焊剂稳定性是所有因素中最为重要的。所谓助焊剂的稳定性是指在常温下其物理、化学性能较为稳定，不易结晶或与金属发生反应等。知名品牌的锡膏如Alpha, Tamura等的助焊剂系统稳定性较高，所以他们的产品在使用过程中也相对较为稳定。国产某品牌无铅锡膏LF-200P的助焊剂系统采用特殊活化体系，该活化体系在常温下表现稳定，基本不与金属及其氧化物发生反应，因此在连续印刷过程中粘度变化很小。在回流焊接时，其活性在温度升高后开始逐渐发挥作用直至焊接温度时活性达到最大值。该活化体系亦能防止锡膏在预热及保温过程中的活性过快损失，从而大幅增宽回流窗口，便于用户调整最佳工艺。助焊剂在常温下稳定的另一个重要作用是其可靠性能也相对较高。所有锡膏在回流后总会留下部分助焊剂残留于焊点周围，因此残留下的助焊剂的稳定性对表面绝缘电阻等电性能指标会产生直接影响。LF-200P的长期可靠性完全不逊于Alpha, Tamura的同类型产品。 LF-200P与Tamura TLF-204 及Alpha OM-338T的基本特性比较：?Tamura TLF-204Alpha OM-338T华庆LF-200P合金成分 SAC305SAC305SAC305金属比例（重量） 88.4%88.5%89.0%卤素含量（铬酸银测试） -00粘度 200 Pa?s-210 Pa?s抗热坍塌性 好 较好 好 印刷寿命 - 8小时 10小时 印刷速度 20-80mm/sec25-200mm/sec20-120mm/sec残留物比例（重量） -5%4-5%冷藏保存时间（2-10） 6个月 6个月 6个月 室温保存时间（25） 1个月 2星期 1个月 无铅焊接采用的合金（SAC305为主流合金）由于熔点提高，所以相对于传统的Sn63/Pb37焊接需大幅升高焊接温度，然而升高温度对元件及PCB都会产生不同程度的损害，因此在保证焊接质量的前提下应尽量降低回流峰值温度。不同品牌的锡膏由于采用不同的助焊剂系统，推荐回流曲线会有所差异。LF-200P无铅锡膏的推荐回流曲线具有回流时间较短，所需峰值温度较低等特点，符合无铅锡膏的发展趋势。LF-200P与其他锡膏的推荐回流曲线比较：?Tamura TLF-204Alpha OM-338T华庆LF-200P合金成分 SAC305SAC305SAC305预热升温速度 2-4/sec1-3/sec1-4/sec保温温度 150-180150-170160-180预热时间 60-120sec90-120sec60-120sec 220时间 20-40 sec45-70 sec20-50 sec峰值温度 230-240232-250230-240冷却速度 2-5/sec-2-4/secLF-200P无铅锡膏专为高精度表面贴装应用而设计，适用于高速印刷及贴装生产线，具有优良的流变性、抗热坍塌性及高稳定性。特殊设计的组合活性系统使LF-200P能有效减少焊接缺陷的发生，降低不良率。该锡膏回流后残留物无腐蚀、无色透明，无需清洗。 LF-200P具有众多优秀性能，包括回流峰值温度低，回流时间短；印刷粘度稳定，保证直通率；润湿性优良，铺展率高；抗热坍塌性极佳，防止细间距焊接桥连等。 1. 回流峰值温度低，回流时间短。过高的回流峰值温度或长回流时间会对元器件和PCB造成不同程度的损伤，同时也增加能耗。因此，在保证焊接质量的前提下，尽量降低回流峰值温度或缩短回流时间对电子产品的可靠性有重要意义。通过调整回流工艺，LF-200P的峰值温度可降低至230，同时亦能获得良好的焊点质量。图（1）为LF-200P的推荐回流曲线与传统回流曲线的比较： 2. 印刷粘度稳定，保证直通率。锡膏在印刷过程中保持稳定的粘度对印刷质量及直通率有极大影响。有些锡膏在小量试用时并无太大问题，但一旦批量使用后却经常发现粘度上升快甚至发干，下锡量变化大，导致品质波动严重等情况。LF-200P的粘度非常稳定，在适宜使用条件下（23-25，RH:30-60% 可保证连续12小时印刷后粘度无显著变化。图（2）为LF-200P在印刷过程中与其他品牌锡膏 W 的粘度变化比较：3. 润湿性优良，铺展率高。润湿性是保证焊接质量的重要因素。润湿性优良的锡膏不但可获得可靠的焊点，同时也能大大降低锡珠及空洞产生的概率。LF-200P不仅能在普通裸铜或镀锡板上形成良好铺展，也能焊接镍、钯等难焊金属。图（3）为LF-200P与其他品牌锡膏 Y 在裸铜板上铺展比较：4. 抗热坍塌性极佳，防止细间距焊接桥连等不良。随着电子产品不断小型、多功能化，细间距器件的应用日益增多。LF-200P具有极佳的抗热坍塌性，可有效防止细小间距焊点间发生桥连等不良。图（4）为LF-200P与某进口品牌锡膏 S 的抗热坍塌性比较：试验条件：陶瓷基板，1505，10分钟目前LF-200P无铅免清洗锡膏已在全国获得广泛应用和认同。低银无铅锡膏与低温锡铋铜锡膏国产某品牌低银无铅锡膏LF-200P-SAC02与低温锡铋铜锡膏LF-200P-SBC1705由于具有优良的性价比，以及接近63/37的工艺温度曲线而得到广泛应用，现做一简单介绍：（一） 无铅免清洗锡膏LF-200P-SAC021. 基本性能SAC0307是目前业界研究较多的无铅合金。作为Sn/Ag/Cu系合金的一员，其综合性能介于传统的SAC305和SC07之间，有着很好的应用前景。SAC305和SC07都有着各自明显的不足：SAC305虽然可焊性及机械性能良好，但高银含量使其成本居高不下，给电子产品制造商造成巨大压力，此外高银含量的合金更易发生电迁移；SC07虽然价格低，但其较差的可焊性制约了焊接质量与生产效率。对电子产品制造商而言，SAC0307在成本、质量和效率三方面相对较为平衡，是最有希望取代SAC305成为行业主流的无铅合金。 表（1）为SAC0307与其它合金的物理性能对比： ?SAC0307SC07SAC305SnPb37合金成分 Sn: 99%Ag: 0.3%Ci: 0.7%Sn: 99.3%Cu: 0.7%Sn: 96.5%Ag: 3.0%Cu: 0.5%Sn: 63%Pb: 37%熔点 （） 217-225227共晶 217-219183共晶 密度 （g/cm3） 7.317.317.378.4电阻率 （m?cm） ?12.91213.30.2%屈服强度MPa加工态 30163527.2抗拉强度 MPa加工态 40374530.6延伸率 % 加工态 2220.822.2548宏观剪切强度MPa?234334.5焊点外观 焊点均匀 亮度稍差 亮度好 亮度较好 亮度好 从图（2）可看出SAC0307抗热疲劳性能较SC07好，稍逊于SAC305。通常使用润湿测量法来衡量焊料、助焊剂或母材的可焊性。润湿时间越短或润湿力越强说明某一被测材料的可焊性越强。图（3）为SAC0307与SC07无铅合金的可焊性对比：由上图可见，采用相同的助焊剂，SAC0307在润湿时间和润湿力方面的表现比SAC305稍差。调整助焊剂配方能够明显改善合金的焊接能力。LF-200P-SAC02无铅锡膏使用专为SAC0307设计的助焊剂系统，该锡膏完全可达到与SAC305同样的润湿效果，可充分保证焊接品质。此外，LF-200P-SAC02可使用与SAC305相同的回流工艺，无需提高回流温度便能获得理想的焊接效果。（以上部分图表摘自北京有色院研究报告。）2. 温度曲线1. 预热区： 以每秒1-4的升温速率将温度从室温匀速上升至150。2. 保温区： 用60秒-120秒将温度从150平缓升至180，使PCB表面受热均匀。3. 回流区： 1 根据不同产品,将峰值温度控制在235-250间.2 高于220的时间应控制在30-60秒间。4. 冷却区： 推荐降温速率2/秒。过慢的冷却速度有时易造成器件移位及降低焊接强度,而冷却过快易增加残留物脆性。（二） 无铅免清洗锡膏LF-200P-SBC17051. 基本性能：典型无铅锡膏合金（如：Sn96.5/Ag3.5, SAC305等）由于所需回流峰值温度较高，容易对耐热性差的元件或PCB造成损伤。 针对这一问题，LF-200P-SBC1705选用Sn/Bi17/Cu0.5无铅合金，使回流工艺与传统Sn63/Pb37焊接基本相同。适中的熔点可减少回流过程中高温对元器件及PCB的损害，同时避免了某些低温无铅合金因固相线温度过低而导致可靠性下降的问题。下表为SBC1705与其它常用合金的性能比较：?SBC1705SAC305Sn63/Pb37熔点（） 190-209217-219183密度（g/cm3） 7.747.398.42电阻率（cm） 15.8413.014.5抗拉强度（MPa） 52.553.556延伸率（%） 202748剪切强度，室温 4927232. 温度曲线： 预热区： 以每秒13的速率将温度升至140150。 均温区： 用6090秒将温度升至160170，使PCB表面受热均匀。 回流区： 以每秒24的升温速率将温度从170升至215225， * 高于210的时间应控制在20-50秒。 冷却区： 推荐降温速率2/秒。* 注 意： 过慢的冷却速度易造成器件移位及降低焊接强度，避免在焊点完全凝固 前移动产品。 结论综上所述目前国产无铅锡膏的研制和应用已取得了很大进展，优秀的无铅锡膏应为免清洗，无卤素，性能稳定并具有再流焊时间短，峰值温度低等特点。低银无铅锡膏由于具有较高的性价比，是值得关注和推广的第二代无铅锡膏。低温锡铋铜无铅锡膏由于具有较低的再流焊峰值温度，也是值得关注的新型锡膏。我们建议有关主管部门能就国内外锡膏进行一次评估，以推进电子绿色制造和制定、修正有关标准工作。最后，我们愿与国内同行一起为打造中华品牌的无铅锡膏而努力奋斗。有意与我们联系，请致电021-64731674。