錫鉛焊錫替代材料的選擇
出處：傲氣雄鷹 發(fā)布于：2007-04-29 10:27:04
隨著人類文明的進(jìn)步，人們的環(huán)境意識正逐漸增強。保護自然環(huán)境，減少工業(yè)污染，已越來越受到人們的關(guān)注。SMT（表面貼裝技術(shù)）生產(chǎn)作為電子生產(chǎn)的一部分，也不可避免地存在有對環(huán)境污染的問題。目前一些發(fā)達(dá)國家的科研機構(gòu)正開展相關(guān)研究，尋找解決SMT生產(chǎn)污染問題的方法和途徑，使SMT生產(chǎn)向綠色環(huán)保方向發(fā)展。 目前在SMT生產(chǎn)過程中普遍采用的是錫鉛焊錫，其中鉛的含量在40%左右。眾所周知鉛是有毒的金屬，將會對人體和周圍環(huán)境造成相當(dāng)巨大的影響。為了消除鉛污染，采用錫鉛焊錫的替代者已勢在必行,制造商們正在尋找可行的替代材料，包括無鉛焊錫材料與可導(dǎo)電性膠。 無鉛焊錫 無鉛焊錫技術(shù)并不是現(xiàn)在才出現(xiàn)的。多年來，許多制造商已經(jīng)在一些適當(dāng)位置應(yīng)用中使用了無鉛合金，提供較高的熔點或滿足特殊的材料要求?？墒?，今天無鉛焊錫研究的目的是要決定哪些合金應(yīng)該用來取代現(xiàn)在每年使用的估計50,000噸的錫-鉛焊錫。取消資源豐富價格便宜的(大約每磅0.40美元)鉛，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加許多。 選擇用來取代鉛的材料必須滿足各種要求： 1、它們必須在世界范圍內(nèi)可得到，數(shù)量上滿足的需求。某些金屬 - 如銦(Indium)和鉍(Bismuth) - 不能得到大的數(shù)量，只夠用作無鉛焊錫合金的添加成分。 2、替代合金應(yīng)是無毒性的。一些考慮中的替代金屬，如鎘(Cadmium)和碲(Tellurium)，是毒性的；其它金屬，如銻(Antimony)，由于改變法規(guī)的結(jié)果可能落入毒性種類。 3、替代合金必須能夠具有電子工業(yè)使用的所有形式，包括返工與修理用的錫線、錫膏用的粉末、波峰焊用的錫條、以及預(yù)成型(preform)。不是所有建議的合金都可制成所有的形式，例如鉍含量高將使合金太脆而不能拉成錫線。 4、替代合金還應(yīng)該是可循環(huán)再生的-將三四種金屬加入到無鉛替代焊錫配方中可能使循環(huán)再生過程復(fù)雜化，并增加成本。 不是所有的替代合金都可輕易地取代現(xiàn)有的焊接過程。作為歐洲IDEALS計劃一部分的研究發(fā)現(xiàn)，超過200種研究的合金中，不到10種無鉛焊錫選擇是可行的。 數(shù)量上足夠滿足焊錫的大量需求的元素包括，錫(Sn, tin)、銅(Cu, copper)、銀(Ag, silver)和銻(Sb, antimony)。商業(yè)上可行的一些無鉛焊錫的例子包括，99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在這些替代合金內(nèi)的所有這些元素具有與錫-鉛焊錫不同的熔點、機械性能、熔濕特性和外觀?，F(xiàn)在工業(yè)趨向于使用接近共晶的錫銀銅(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。 多數(shù)無鉛合金，包括錫-銀-銅，具有超過200°C的熔點 - 高于傳統(tǒng)的錫-鉛合金的大約180°C的熔點。這個升高的熔點將要求更高的焊接溫度。對于元件包裝和倒裝芯片裝配，無鉛焊錫的較高熔點可能是一個關(guān)注，因為元件包裝基底可能不能忍受升高的回流溫度。設(shè)計者現(xiàn)在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的溫度，以及各向異性的(anisotropic)導(dǎo)電性膠來取代倒裝芯片和元件包裝應(yīng)用中的焊錫。 無鉛合金的較高熔化溫度可提供一些優(yōu)勢，比如，提高抗拉強度和更好的溫度疲勞阻抗、使其適合于象汽車電子元件這樣的高溫應(yīng)用。 電路板與元件的表面涂層也必須與無鉛焊錫兼容。例如，銅表面涂層的板面上的焊接點可能在機械上和外觀上都受較高的無鉛焊錫的表面貼裝技術(shù)(SMT)回流焊接溫度的影響，它可能造成錫與銅之間有害金屬間化合物的形成。無鉛焊錫的外觀也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比傳統(tǒng)的錫-鉛焊錫缺少一點反光性)，可能要求標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)控制程序的改變。，因為現(xiàn)在沒有高含鉛(high-lead-bearing)焊錫的替代品存在，所以完全的無鉛裝配還是不可能的。 雖然現(xiàn)在的助焊劑系統(tǒng)與錫-鉛焊錫運作良好，無鉛替代合金將不會在所有的板元件表面涂層上同樣的表現(xiàn)，不會容易地熔濕(wet)以形成相同的金屬間化合物焊接類型。因此可能需要改善助焊劑，提高熔濕性能，減少BGA焊接中的空洞。 理想的無鉛焊錫合金將提供制造商良好的電氣與機械特性、良好的熔濕(wetting)能力、沒有電解腐蝕的問題、可接受的價格、和現(xiàn)在與將來各種形式的可獲得性。焊錫將使用傳統(tǒng)的助焊劑系統(tǒng)，不要求使用氮氣來保證有效的熔濕。 滿足波峰焊接、SMT和手工裝配要求的無鉛替代品今天都可在市場買到，雖然在元件無鉛合金、電路板表面涂層兼容性、助焊劑系統(tǒng)開發(fā)和工藝問題上要求更多的研究。 導(dǎo)電膠(Conductive Adhesive) 導(dǎo)電膠是由導(dǎo)電粉、樹脂膠粘劑、溶劑等組成的復(fù)合材料。導(dǎo)電性膠粘劑具有較低的固化溫度，可在室溫下固化，或暴露在100-150°C溫度之間快速處理，這些膠對粘結(jié)溫度敏感元件和在象塑料與玻璃這樣的不可焊接的基板上提供電氣連接是很好的。由于高度靈活性的配方，導(dǎo)電膠也是諸如柔性電路的裝配與修理或柔性基板與連接器粘結(jié)這些應(yīng)用的解決方案。 用于導(dǎo)電膠的導(dǎo)電粉必須具有良好的導(dǎo)電性和環(huán)境性，常用的導(dǎo)電粉末有銀粉、銅粉、石墨粉末、炭黑及鎳粉等，也常用一些復(fù)合材料如覆銀銅粉，選擇銀微粒和覆銀銅粉作為導(dǎo)電填料是因為它們具有良好的電性能、可靠性及成本/性能比。這些粉末對導(dǎo)電性、操作難易和工作都有較大影響，因此一般使用的是粒徑為數(shù)微米或更小的粉末；而且不光是粒徑，形狀也是一個重要的因素，實際的導(dǎo)電性是把粒徑和形狀不同的粉末混合在一起使用的，在銀導(dǎo)電膠中就是把球狀粉末與箔狀粉末合并使用以提高其導(dǎo)電性的。 膠粘劑的作用是如下三點：（1）使孤立的微粒緊密接觸而導(dǎo)通；（2）與基材粘合；（3）粒子的環(huán)境保護作用，提高導(dǎo)通的穩(wěn)定性。所使用的作為膠粘劑的樹脂因目的與用途不同而不同，但多數(shù)用環(huán)氧、酚醛、三聚氰胺、丙烯酸類、飽和聚酯等。膠粘劑對導(dǎo)電膠性質(zhì)的影響，除了膜的固化外在操作難易方面也是很重要的。固化條件、膠粘劑的適用器、單組分還是雙組分等都是有膠粘劑所決定，所以在選擇導(dǎo)電膠時膠粘劑是極為重要的因素。 導(dǎo)電膠提供元件與電路板之間的機械連接和電氣連接。有三種類型的電氣導(dǎo)電膠，配方提供需要電氣連接的特殊用處。與焊錫類似，各向同性的(isotropic)材料在所有方向均等的導(dǎo)電性，可用于有地線通路的元件。導(dǎo)電性硅膠(silicone)幫助防止元件受環(huán)境的危害，比如潮濕，并且屏蔽電磁與無線射頻干擾(EMI/RFI)的發(fā)射。各向異性的(anisotropic)導(dǎo)電性聚合物或Z軸膠片允許電流只在單個方向流動，提供電氣連接性和舒緩倒裝芯片元件的應(yīng)力。 導(dǎo)電膠是無鉛和無氟氯化碳(CFC-free)的，不危害臭氧層，并且不含VOC。這些材料提供良好的設(shè)計靈活性，因為它們可填充異形區(qū)域和不同尺寸的間隙。較低的膠處理溫度減少能源成本，允許裝配中使用價格低廉的基板，減少PCB上的溫度-機械應(yīng)力和元件的損傷。 焊錫與膠的比較 無鉛焊錫與導(dǎo)電膠兩者都是強有力的候選材料，提供電子元件的電氣連接和熱傳導(dǎo)；可是，每個技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。取決于應(yīng)用，某個粘結(jié)技術(shù)可能提供較好的性能特性，或者提供工藝或成本的優(yōu)勢。 本性上，焊錫形成金屬基底之間的冶金連接，而導(dǎo)電膠形成基底表面的機械與化學(xué)粘結(jié)。冶金連接比導(dǎo)電性膠形成的粘結(jié)導(dǎo)電性更好，一般強度更高。因為膠要求金屬填充物的有效擴散，來提供良好的電氣特性。但是填充顆粒易于氧化，可能隨著時間降低膠的導(dǎo)電性，而焊錫易于浸析出(leaching)金屬(如，金或銅)，它可能脆化和削弱焊接點。膠會形成使金屬表面失去光澤和氧化的高強度粘結(jié)，這通常是不可焊接的。 焊錫的導(dǎo)熱性(60-65 W/mK)比膠的(3-25 W/mK)更高。焊錫的體積電阻系數(shù)(volume resistivity)為0.000015 ohm.cm，比膠的0.0006 ohm.cm少得多，表示焊錫通常比膠的導(dǎo)電性好。 雖然無鉛焊錫一般在剛性基板上的抗機械沖擊比導(dǎo)電性膠更好，但是焊錫在柔性基板上易于應(yīng)力開裂。除了有高度柔性的配方之外，導(dǎo)電性膠抗振動與沖擊比焊錫好。因為膠不提供焊錫表面張力的自我對中作用，使用膠的元件貼裝是關(guān)鍵的，特別是超密間距的元件。對中不好造成較差的電氣接觸和對機械力的抵抗力不足。 焊錫很適合于J型引腳元件以及電鍍和浸錫元件。膠對具有多孔表面的電鍍元件元件與電路板粘結(jié)良好。膠也是非可焊與高度柔性的基板的無鉛替代。因為膠可使用室溫或低溫固化機制，它們很適合粘結(jié)溫度敏感的裝配和元件。 焊錫經(jīng)常對要求返工的電路板更有優(yōu)勢，因為膠要求較費時的、可能損壞電路板元件的返工工藝。已經(jīng)配制出一些的環(huán)氧樹脂，專門用于大間距連接的返工與返修應(yīng)用。例如，如果電路板表面上的跡線(trace)被擦傷，那么可使用這類膠來在原焊接的地方修理電路。 成本問題 由于許多原因，無鉛焊錫和導(dǎo)電膠兩者都比傳統(tǒng)的錫-鉛焊錫更貴。鑒于鉛是屬于可得到的廉價的金屬(每磅$0.40)，替代合金可能要貴得多。例如，銀的每磅價格大約為$90，錫$3.70，鉍$3.50，銅$0.85，和鋅$0.60。錫膏通常到處的銷售價為每克$0.15-0.30，取決于量和合金類型。 導(dǎo)電膠的價格變化很大，取決于使用的填充物的類型及其市場價格。導(dǎo)電膠的不同配方可有十倍或以上的變化因素。使用貴重金屬作填充物的導(dǎo)電膠的材料成本相對比無鉛焊錫或傳統(tǒng)膠的材料成本更高。就單材料成本而言，膠通常比焊錫貴幾倍?？墒?，膠的裝配與工藝要求大約為焊錫用于同一應(yīng)用的材料用量的一半。還有，膠的處理成本可能比焊錫低得多，因為膠的粘結(jié)要求較少的步驟。雖然處理時間對焊接與膠粘結(jié)對差不多，膠不要求助焊劑應(yīng)用和清洗的時間與費用，如在波峰焊接應(yīng)用中使用水洗型助焊劑。 以前使用CFC可迅速廉價地清除焊接助焊劑。在蒙特利爾協(xié)議(Montreal Protocol)之后，該協(xié)議要求制造商減少CFC的使用，CFC的使用已經(jīng)受到限制，電路板制造商經(jīng)常被迫使用效果較差和成本較高的方法來清除助焊劑，雖然許多已經(jīng)轉(zhuǎn)向免洗或可水洗的化學(xué)劑?？墒?，膠是過程友好的，減少有害廢棄的化學(xué)品或有關(guān)處理成本。 未來 今天可購買到所有形式的無鉛焊錫 - 從錫條到錫膏到預(yù)成型。開發(fā)新型助焊劑化學(xué)品的工作仍在繼續(xù)，它可使無鉛焊錫提供與含鉛焊錫材料相同的性能。導(dǎo)電膠也在改進(jìn)，以較低成本的、結(jié)合替代金屬填充物或?qū)щ娦跃酆衔锏呐浞?，提供?yōu)良的機械性能。 在未來，電子設(shè)備制造商將繼續(xù)使用導(dǎo)電膠和焊錫兩種材料。一旦無鉛法規(guī)開始生效，膠與焊錫兩者，單獨地和時常協(xié)作地，都將提供環(huán)境上更安全的裝配選擇。
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