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焊料從發(fā)明到使用,已有幾千年的歷史。Sn/Pb焊料以其優(yōu)異的性能和低廉的成本,一直得到人們的重用,現(xiàn)已成為電子組裝焊接中的主要焊接材料。但是,鉛及其化合物屬于有毒物質(zhì),長期使用會給人類生活環(huán)境和安全帶來較大的危害。從保護(hù)地球村環(huán)境和人類的安全出發(fā),限制使用甚至禁止使用有鉛焊料的呼聲越來越強(qiáng)烈,這種具有悠久應(yīng)用歷史的Sn/Pb焊料,將逐漸被新的綠色焊料所替代,在進(jìn)入二十一世紀(jì)時,這將成為可能?! ?br style="color: rgb(90, 90, 90); font-family: 'Microsoft YaHei'; font-size: 14px; line-height: 23.796875px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255);"/>
1. 人體通過呼吸,進(jìn)食,皮膚吸收等都有可能吸收鉛或其化合物,鉛被人體器官攝取后,將抑制蛋白質(zhì)的正常合成功能,危害人體中樞神經(jīng),造成精神混亂、呆滯、生殖功能障礙、貧血、高血壓等慢性疾病。鉛對兒童的危害更大,會影響智商和正常發(fā)育?! ?br style="color: rgb(90, 90, 90); font-family: 'Microsoft YaHei'; font-size: 14px; line-height: 23.796875px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255);"/>
2. 電子工業(yè)中大量使用的Sn/Pb合金焊料是造成污染的重要來源之一,在制造和使用Sn/Pb焊料的過程中,由于熔化溫度較高,有大量的鉛蒸氣逸出,將直接嚴(yán)重影響操作人員的身體健康。波峰焊設(shè)備在工作中產(chǎn)生的大量的富鉛焊料廢渣,對人類生態(tài)環(huán)境污染極大。近年來有關(guān)地下水中鉛的污染更引起人們的關(guān)注,除了廢棄的蓄電池大量含鉛外,丟棄的各種電子產(chǎn)品PCB上所含的鉛也不容忽視。以美國為例,每年隨電子產(chǎn)品丟棄的PCB約一億塊,按每塊含Sn/Pb焊料10克,其中鉛含量為40%計算,每年隨PCB丟棄的鉛量即為400噸。當(dāng)下雨時這些鉛變成溶于水的鹽類,逐漸溶解污染水,特別是在遇酸雨時,雨中所含的硝酸和鹽酸,更促使鉛的溶解。對于飲用地下水的人們,隨著時間的延長,鉛在人體內(nèi)的積累,就會引起鉛中毒。
3. 此外,隨著微細(xì)間距器件的發(fā)展,組裝密度愈來愈高,焊點(diǎn)愈來愈小,而其所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)負(fù)荷則愈來愈重,對可靠性要求日益提高,但傳統(tǒng)的Sn/Pb合金的抗蠕變性差,不能滿足近代電子工業(yè)對可靠性的要求。因此,無鉛焊料的開發(fā)和應(yīng)用,不僅對環(huán)境保護(hù)有利,而且還擔(dān)負(fù)著提高電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要任務(wù)。
4. 近幾年來有關(guān)無鉛焊料的研究工作發(fā)展很快,世界上各大著名公司、國家實(shí)驗(yàn)室和研究院所都投入了相當(dāng)?shù)牧α块_展無鉛焊料的研究。國內(nèi)外的已有的研究成果表明,最有可能替代Sn/Pb焊料的無毒合金是Sn基合金。無鉛焊料主要以Sn為主,添加A g 、Zn 、Cu 、Sb、Bi 、In等金屬元素。通過焊料合金化來改善合金性能,提高可焊性。由于Sn—In系合金蠕變性差,In極易氧化,且成本太高;Sn—Sb系合金潤濕性差,Sb還稍具毒性,這兩種合金體系的開發(fā)和應(yīng)用較少。實(shí)際上二元系合金要做成為能滿足各種特性的基本材料是不完善的,目前最常見的無鉛焊料主要是以Sn—A g 、Sn—Zn、Sn—Bi為基體,在其中添加適量的其它金屬元素所組成的三元合金和多元合金。如果單純考慮可焊性,能替代Sn/Pb共晶焊料的無鉛焊料很多,如下表所示?! ?nbsp;
5. 綜觀Sn—A g 、Sn—Zn、Sn—Bi三個體系無鉛焊料,與Sn—Pb共晶焊料相比,各有優(yōu)缺點(diǎn)。Sn—A g系焊料,具有優(yōu)良的機(jī)械性能,拉伸強(qiáng)度,蠕變特性及耐熱老化性都比Sn—Pb共晶焊料優(yōu)越,延展性比Sn/Pb共晶焊料稍差,但不存延展性隨時間加長而劣化的問題。Sn—A g系焊料,熔點(diǎn)偏高,通常比Sn—Pb共晶焊料要高30—40℃,潤濕性差,而且成本高。熔點(diǎn)和成本是Sn—A g系焊料存在的主要問題。Sn—Zn系焊料,機(jī)械性能好,拉伸強(qiáng)度比Sn—Pb共晶焊料好,與Sn—Pb焊料一樣,可以拉制成線材使用;具有良好的蠕變特性,變形速度慢,至斷裂的時間長。該體系最大的缺點(diǎn)是Zn極易氧化,潤濕性和穩(wěn)定性差,且具有腐蝕性。Sn—Bi系焊料,實(shí)際上是以Sn—A g(Cu)系合金為基體,添加適量的Bi組成的焊料合金,合金的最大的優(yōu)點(diǎn)是降低了熔點(diǎn),使其與Sn—Pb共晶焊料相近;蠕變特性好,并增大了合金的拉伸強(qiáng)度,但延展性變壞,變得硬而脆,加工性差,不能加工成線材使用。總之,目前雖然已開發(fā)出許多可以替代Sn—Pb合金的焊料,但尚未開發(fā)出一種完全能替代Sn/Pb合金的高性能低成本的無鉛焊料。
6. 二十世紀(jì)九十年代初,由美國國會提出了關(guān)于鉛的限制法案,并由工作小組著手進(jìn)行無鉛焊料的研究開發(fā)活動。目前,美國已在汽車、汽油、罐頭、自來水管等生產(chǎn)和應(yīng)用中禁止使用鉛和含鉛焊料。但該法案對電子工業(yè)產(chǎn)生的效能并不大,在電子產(chǎn)品中禁止使用含鉛焊料進(jìn)展緩慢。歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家對焊料中限制鉛的使用也很關(guān)注。對于居住環(huán)境意識較強(qiáng)的歐洲,歐盟于1998年通過法案,已明確從2004年1月1日起任何制品中不可使用含鉛焊料,但因技術(shù)等方面的原因,在電子產(chǎn)品中完全禁止使用鉛有可能推遲至2008年執(zhí)行。在無鉛焊料研究和應(yīng)用方面,日本走得最快。為了適應(yīng)市場的需要,擴(kuò)大市場份額,日本提出了生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的概念。松下電器、日立、NEC、富士通等各大公司紛紛降低了鉛的使用,并制訂了無鉛化的進(jìn)程計劃,從2000年開始已在部分產(chǎn)品生產(chǎn)中使用無鉛焊料?! ?nbsp;
7. 為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和提高產(chǎn)品質(zhì)量為目的,并考慮電子組裝工藝條件的要求,無鉛焊料應(yīng)滿足以下條件:熔點(diǎn)低,合金共晶溫度近似于Sn63/Pb37的共晶溫度183℃,大致在180℃~220℃之間;無毒或毒性很低,所選用的材料現(xiàn)在和將來都不會污染環(huán)境;熱傳導(dǎo)率和導(dǎo)電率要與Sn63?。疨b37的共晶焊料相當(dāng);具有良好的潤濕性;機(jī)械性能良好,焊點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱老化性能;要與現(xiàn)有的焊接設(shè)備和工藝兼容,可在不更新設(shè)備不改變現(xiàn)行工藝的條件下進(jìn)行焊接;與目前使用的助焊劑兼容;焊接后對各焊點(diǎn)檢修容易;成本要低,所選用的材料能保證充分供應(yīng)。
這是研制開發(fā)無鉛焊料的方向,要做到滿足以上要求,有一定的難度,因此,對性能、成本均理想的綠色焊料的研制已成為研究的熱點(diǎn)。