无铅焊接技术及进展

小小子

钎焊技术对各个时代工业的发展起到了其他技术不可代替的作用。过去50年，钎焊技术（主要是锡铅焊料）已经在电子制造装联技术中得到广泛应用。
随着欧盟RoHS/WEEE两大环保指令的出台，日本、美国也相继出台相关的法规，我国也在2005年颁布了《电子信息产品生产污染防治管理办法》，限制铅在电子产品中的使用。无铅化制造已成为国内外电子产品发展的必然趋势。因此，无铅产业涉及的无铅焊接材料、元器件、设备及可靠性等方面的发展迫在眉睫。本文从以下几个方面对我国无铅技术的现状进行评述。

一、无铅焊接材料

无铅制造中最根本的就是将沿用近千年的锡铅焊料合金改为无铅焊料合金，同时，无铅焊料专用助焊剂也与有铅焊料的助焊剂差异很大，并且助焊剂的性能直接影响到无铅焊接的质量，故助焊剂也随着无铅焊料的发展而发展。同时，随着电子产品小型化发展，表面贴装过程中使用的无铅焊膏的需求量越来越大，对其相应的产品性能也提出了更高的要求。
无铅焊料：目前普通无铅焊料产品生产工艺成熟，常规材料质量较为稳定。在加工工艺方面，设备较落后，技术提高慢。无铅焊料的专利产品将近1000种，且多数为二元、三元无铅合金。国内目前生产的多为不涉及专利的二元合金，以SnAgCu（SnAgCu、SnAgBi、SnCuNi三大市场认可的主流合金系）三元合金为主流的无铅产品主要为日本和美国公司拥有，国内企业所获得的专利量少，无法与国际大公司抗衡。我国的大多数生产企业没有自身的研发机构，市场首先面临的问题就是知识产权，即专利问题。

从图1、2可以看出，我国无铅焊料在国外获取的专利数量是比较少的，在国内申请并获得的专利数量中，广东省所占比例最大，为20%。值得一提的是，从专利材料的角度来看，SnAgCu系是无铅材料研发的主题。此外，SnCu、SnBi、SnZn也正在被人们重视。　　　


无铅助焊剂：随着无铅焊料的发展，无铅焊料助焊剂的研发也于20世纪90年代在世界范围内展开，国内起步也较早，虽有相关的专利产品，但总体技术水平偏低，集中在低端产品，高端换代产品、特型助焊剂与国外有很大差距。见图3。

无铅焊膏：基本停留在低端领域，相关基础、技术与国外差距很大，研发力量严重不足。专利情况见图4。


二、无铅片式元器件


由于无铅焊料的使用，无铅片式元器件必须能够承受高达250~260℃的温度；同时无铅片式元器件本身也要求无铅化，而铅在电子元器件中的作用主要是改善润湿性，降低烧结温度、提高可靠性，无铅化则意味着在除去铅的同时又要保证高可靠性，这本身就是矛盾的两个要素，因此技术难度很大。

国外在无铅化领域的研究比较早，尤其是日本占据了领先的地位，在无铅片式电容、电阻、电感等方面都有大量的专利及产品，占据了大部分无铅片式元器件的市场。国内无铅片式元器件也已批量生产，技术水平也较成熟，但在整体制造水平（加工工艺、设备）以及超小尺寸（0201以下）高性能无铅片式元器件领域，技术水平远落后于日本，与韩国、美国也有较大的差距。专利情况：国际上，七国两组织申请的专利共140项，其分布情况如图5、图6所示。
可以看出，日本所申请的专利占半壁江山，其在无铅化方面的发展最为领先。其次是我国，我国正在成为世界上最大的电子产品生产和加工基地，在无铅技术上也取得了很大的进步。从专利类别来分，无铅电容71项，无铅电阻58项，无铅电感3项，无铅磁材8项，国际上目前研究的热点仍然主要是电容、电阻两方面。　　



三、无铅焊接设备及工艺


由于无铅焊料的特殊性，无铅焊接工艺及无铅焊接设备都要进行相应的改造，以便解决无铅焊料带来的焊接缺陷及焊料对设备的影响，可采用预热/锡炉温度升高、改变喷口结构、提高炉体的抗腐蚀性、焊后急冷、改进助焊剂涂敷、采取氮气保护、增强控制系统管理、提高加热模块功能、改变温度曲线等方法。

我国的无铅焊接设备技术与国外相比处于中低水平，虽具有一定的基础，但缺乏关键技术，产品只能占据中低端市场, 未能有大的发展和突破。在专利方面，国内相关技术专利不多。经国内外专利检索，结果表明：在国外由中国企业或个人申请的无铅焊接设备标准只有10项，占国外该领域总专利的6%。需要指出的是，日、美、德三国所申请专利技术含量较高，对设备发展意义较大，我国申请主要是使用新型专利和外观设计。



四、无铅焊点可靠性评价及寿命评估

我国在无铅焊接可靠性评价及寿命评估的机理研究领域起步晚，只有少数科研院所在从事无铅可靠性领域的研究及检测工作，信息产业部在最近几年才开始从事相关标准的制定工作。而国外相关的机构及大型企业在这方面的研究起步较早，也比较深入，并建立了相关行业标准（如IPC、JIS等）及企业标准，提出了焊点疲劳的主要模型，如基于应力的Coffin-Manson疲劳模型，基于塑性应变的Soloman疲劳模型，基于蠕变应变的Kencht-Fox模型和Syed模型等；基于能量的Akay模型和Darveaux模型等。上述模型以不同的准确度在一定范围内反映焊点疲劳的规律。但由于目前对金属间化合物的形成机理、表征参数等问题一直没有解决，因此，上述模型只能基于焊料疲劳破坏的机理来推出一定条件下焊点的疲劳寿命。

杰弗瑞

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