无铅化挑战的电子组装与封装时代

　　一、无铅化的起源

　　将金属铅用作低温焊料已有多年的历史，其优点在于铅锡合金在较低温度下易熔化，而且铅的储量丰富、价格便宜。但Pb是一种有毒的金属，已经广为人知：对人体有害，并且对自然环境的破坏性很大，尤其废弃的电子器件垃圾中铅的渗透产生的污染，含铅器件的再利用过程中有毒物质的扩散等。随着人们环保意识日益增强，作为污染土壤和地表水的潜在因素，人们对铅限制使用的呼声越来越高；尽管电子组装与封装行业所用的铅占不到世界铅耗量的1%，但行业所废弃的焊接件占废弃铅元素比例迅速增加，因此表面贴装业的无铅化已成为社会共识。

　　90年代初，美国率先提出了无铅工艺并制定了一个标准来限制产品中的铅含量，但由于当时无铅工艺还不成熟，加上这样做会加大厂商的制造成本，所以标准最终未能执行。但无铅工艺的发展没有停滞，制造商正在积极讨论在材料、回流焊温度、PCB、装配过程和检测等方面制定统一的标准。

　　“无铅概念”90年代末起源日本，2003年末电子工业大约70%～80%已生产无铅产品，日本电子信息技术产业协会将在2005年全部实现无铅化：无铅焊料应用于所有元件、材料和产品中。日本的无铅化进程主要是由其产业界驱动，日本的JEIDA（日本电子工业发展协会）已提出新产品中的无铅化路线图：日立公司2001年实现无铅，并建成36条无铅电装生产线；松下公司2001年前全部消费电子产品实现无铅；索尼公司2001年除了高密度封装外，产品已实现无铅；东芝公司2002年对手机实现无铅；富士通公司2002年12月实现所有产品无铅化；日本OEMS公司2001到2002年按计划分步骤地禁止使用电子铅料。同时日本颁布了一些相应的法律：《家电回收法》、《绿色采购法》和《资源有效利用促进法》。

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　　二、无铅焊料发展状况

　　随着2006年无铅化的最终期限日益临近，无铅化技术挑战中，无铅材料的供应是个重大的问题。无铅化，主要在于无铅焊料的选择及焊接工艺的调整，其中尤以无铅焊料的选择最为关键。

　　无铅焊料与有铅焊料主要区别在以下几个方面：一、成分区别：通用6337有铅焊丝组成比例为：63％的Sn，37％的Pb，无铅焊丝的主要组成复杂（以Alphametal的reliacore15为例：96.5%Sn；3.0％Ag；0.5％Cu）；二、熔点及焊接温度：一般来说通用6337有铅焊丝熔点为183℃、焊接温度为350℃，无铅焊丝熔点为220℃、焊接温度为390℃。选择无铅焊料的原则是：熔点尽可能低、结合强度高、化学稳定性强。人们先后研究过许多锡基合金，发现Sn-3.5Ag是众多无铅焊料的基础，溶点221O℃（Sn-Pb焊料的熔点为183O℃），液态下表面张力大、润湿性差、强度高、抗蠕变性强。Sn-3.8Ag-0.7Cu：熔点217O℃，Cu的引入不仅降低了熔点，且显著改善了润湿性能；245O℃即具有很好的润湿性，但在表面贴装时，由于大元件较大的热容量，回流焊温度需提高到260O℃；对有引线及无引线元件的热循环试验表明，Sn-Ag-Cu不比Sn-Pb焊料差。

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　　三、无铅焊接技术

　　无铅焊接技术是针对焊料材料的变化，在传统的Sn-Pb焊料焊接技术上的突破与改进。一般焊接技术是把元器件固定在PCB板上，其作业目的如下：（一）机械的连接：把两个金属连接，相互固定；（二）电气的连接：把两个金属连接，良好电气导通。这种电气的连接是焊接作业的特征，是粘合剂所不能做到的。

　　焊接技术按焊接作业特征分为两种：①一次可以完成大量的焊接，例：利用喷流槽进行的波峰焊接技术，采用黏胶状焊膏；②简单可以修正的手工焊接，采用丝状焊锡。大量焊接一般用在工厂流水线批量生产上，与我们日常应用离得很远；在日常工作中我们一般接触手工焊接技术。手工焊接虽然有人员使用上熟练程度的差异，但无铅化给我们提出了新的挑战。由于无铅焊料熔点高、润湿性差、扩散性不好，会产生一些更棘手的问题：焊点的氧化严重，造成导电不良、焊点脱落、焊点不光泽等质量问题。现在，市面上有一些提供手工焊接的厂家已对无铅化手工焊接设备，提出了许多可操作与可行的解决方案，例Weller、Hakko、Metcal等公司的代表产品：Hakko的代表产品FR-801、FX-951等，Metcal的代表产品MX500、SP200等，Weller的代表产品WD1000、WD2000、WSD81、WSD151等。

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