探讨无铅焊料在SMT加工中的发展现状

2024-01-30 12:38:53 作者：SMT贴片加工

探讨无铅焊料在SMT加工中的发展现状

目前，广泛使用的替代锡铅焊料的合金主要是以Sn为基础，并添加了银(Ag)、锌(Zn)、铜(Cu)、锑(Sb)、铋(Bi)、铟(In)等金属元素来制成三元或多元合金。

在与锡形成合金时，通过选择这些金属材料，可以降低焊料的熔点，并使其具备理想的物理特性。目前已经成功开发了几种合金体系，具体如下。

（1）锡锌系（Sn-Zn）。锡锌系焊料的熔点只有199℃，是无铅焊料中与锡铅系焊料共晶熔点最接近的，可用于耐热性较差的元器件焊接，并且成本较低。然而，在大气中被使用时，会形成厚厚的锌氧化膜，必须在N2下使用，或添加能溶解锌氧化膜的强活性焊剂，才能确保焊接质量。此外，润湿性差也是一个不可忽视的问题，在波峰焊生产中会产生大量浮渣。制作焊膏时，由于锌的反应活性较强，为确保焊膏的保存可靠性和提高其润湿性，会增加很多麻烦。可以说，这种焊料在短期内不会得到推广。

（2）锡铜系焊料（Sn-Cu）。与传统锡铅焊料焊接后的外观相比，锡铜系焊料（Sn99.3Cu0.7）在焊点亮度、焊点成形和焊层浸润等方面没有什么区别。由于锡铜系焊料的成分简单、供给性好且成本低，因此被大量用于PCB的波峰焊、浸渍焊，特别适合用作松脂心软焊料。它的强度和耐疲劳性优于锡铅焊料，并且在细间隔QFP的IC流动焊中不存在桥连现象。此外，它也没有无铅焊料常见的针状晶体和气孔问题，能够得到光泽的焊点。

（3）锡银系（Snr-Ag）。锡银系焊料已在电子工业使用多年，作为锡铅替代品。Sn-Ag合金早期就已经被熟知作为高温焊料，但由于焊接温度较高，因此并未广泛应用。随着无铅焊料的推广，人们重新认识和研究了Sn-Ag合金，并对其进行了改进。它能长时间提供优良的黏接性能，在反流焊时无需氮气保护。与锡铅系焊料相比，它的浸润性和扩散性类似，而且锡银系的助焊剂残留外观更好，几乎无色透明。在合金的电导率、热导率和界面张力等方面与锡铅合金相当。

（4）锡锑系（Sn-Sb）。锡锑系焊料属于高温焊料，其溶点为235～243℃。目前使用的配方类型较少，主要采用Sn95Sb5配方。尽管它的抗拉强度不及Sn63Pb37，但具有良好的塑性应变，因此整体的疲劳寿命约为Sn63Pb37的1.4倍。Sn95Sb5的润湿性较Sn63Pb37差，但经业内检测结果表明它仍然可以接受。

（5）Sn-Bi合金是一种锡铋系合金。常用的二元合金是Sn42Bi58，主要用于低温焊接。铋的加入能够降低焊接的溶点温度（这是无铅技术的研究重点之一），降低界面张力（从而具有较好的润湿性），并提高焊点的寿命。然而，铋的含量对合金的机械特性影响较大，容易出现“铅”污染问题，并且其自然供应较为有限，成本较高。为了解决部分特性不稳定的问题，添加银（Ag）成分，所以后来三元或四元合金中加入铋的做法较受欢迎。

（6）锡银铜系（Sn-Ag-Cu）。目前，锡银铜系焊料被认为是锡铅焊料的最佳替代品，因为它具备良好的物理特性。与锡银系（Sn96.5Ag3.5）相比，锡银铜系（Sn96.5Ag3Cu0.5）的熔点较低，大约比共晶锡银系（Sn96.5Ag3.5）低4℃，为216～217℃。研究发现，在基本的机械性能方面，锡银铜系具备更好的强度和疲劳寿命。与锡铜系（Sn99.3Cu0.7）相比，锡银铜系具有更高的强度和耐疲劳性能，但塑性略低于锡铜系（Sn99.3Cu0.7）。