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基于Sn—Zn系列的无铅焊可靠性分析
何川鸿，马孝松
（桂林电子工业学院，广西 桂林 541004）
摘要：铅和铅的化合物有害人身健康，破坏环境。本文介绍了无铅焊料研究开发的迫切性和开发新型无铅焊料应满足的要求。从抗氧化性和提高浸润性两方面对Sn—Zn焊料的可靠性进行了分析说明。介绍了微合金化和N2对Sn—Zn可靠性的影响，并作出了其基本回流温度曲线示意图。
关键词：无铅焊；Sn—Zn系无铅焊；微合金化；抗氧化性；浸润性；回流曲线
Analysis about Reliability of lead—free Sn—Zn based solders
HE Chuan—hong,LENG Xue—song
(Guilin University of electrolic technology,Guilin 541004,China)
Abstract:Lead and Pb compouds have adverse health effect to human life and environment.The agence of eletrolic material industry to develop Lead—free and the requirements of new Lead—free solders are described.Investigate and anallyse reliability of Sn—Zn based solders from oxidation resistance and enhancement of wettability.Introduce the effect of Microalloy and the Nitrogen,and design the reflow profile of Sn—Zn based solders.
Key words:Lead—free solders; Sn—Zn based solders；Microalloy; Oxidation resistance；Wettability; Reflow profile
1 概述
1.1 铅的概况
长期以来，Sn—Pb合金作为主要的焊料在电子行业中起到了举足轻重
的作用，但是由于Pb的储量和毒性，大大的阻碍了其在电子中的应用。
美国作为铅的主要产地，大约占了全世界产量的20%，澳大利亚，加拿大，秘鲁，墨西哥和南斯拉夫的产量依次降低。今天Pb的最大用途是用于蓄电池。它占了含铅产品的60%。Pb的其他用途包括军火，涂料，电缆外部设备，印刷和焊接。目前电子行业中用钎料每年消耗Pb约为20，000t，大约占全世界Pb年产量的5%。
Pb的毒性作为了禁止Pb应用最主要的因素。Pb和Pb的化合物已经被列入了17种对人体和环境毒害最大的化学物质之一。Pb与人体内的蛋白质结合抑制了人体的正常生理功能，减少了血红蛋白，造成了贫血和高血压。而且铅在一定含量对儿童的身体和生理的危害是巨大的。在生产线上的技术人员长期受着Pb的毒害。因此，无铅焊料应运而生，而且迫切要求替代Sn—Pb焊料作为主要的焊接材料。
1.2 代替无铅焊料的要求
一般来说，无铅焊料是以Sn为基体，然后添家其它一些合金元素。作为Sn—Pb的替代品，它必须满足Sn—Pb合金的一些使用要求。特别是作为Sn—Pb焊料的SMT生产设备和技术已经完善。生产厂家不可能再做大的调整。因此，无铅焊料必须满足一些客观上的要求：
（1）熔点必须接近Sn—Pb的熔点范围。Sn—Pb的熔点是183℃。尽量使无铅焊料的熔点在此附近，而且温度间隔越小越好。这样在设备上不用做大的调整，为厂家节约了设备成本和提高了生产效益。
（2）无铅焊料所加合金的储量，数量上必须满足全球电子行业的需要。这也在客观上满足了无铅焊料的低成本。
（3）无铅焊料必须满足相关的工艺和可靠性要求。应具有良好的导电性，导热性，延伸率，较高的强韧性和组织稳定性，抗蠕变能力，热循环疲劳及短暂的抗机械过载能力。
（4）无毒性，这是无铅焊料开发的必要前提。这也排除了一些考虑中的替代金属如镉，碲等。
（5）无铅焊料的全面实用性。替代金属能够具有电子行业使用的所有形式，包括返工和修理用的锡线，锡膏用的粉末，波峰焊用的焊条。
考虑以上要求，可排除高熔点元素，碱金属，镉，碲和铊等。候补的元素也非常的有限。表1列举候补元素和它们的主要物理性能。表2列出了各种合金的大致成分和熔点。
|
元素 |
熔点 ℃ |
晶体组织 |
293K CTE℃×10-6 |
300K 热导率W/（m·K） |
|
In |
156.4 |
FC tetra |
32.1 |
82.0 |
|
Se |
217.0 |
Cubic |
37.0 |
0.76 |
|
Sn |
232.0 |
BC tetra |
22.0 |
73.0 |
|
Bi |
271.3 |
Rhombic |
13.4 |
8.0 |
|
Zn |
419.5 |
HCP |
30.2 |
116.0 |
|
Sb |
630.5 |
Rhombic |
11.0 |
24.0 |
|
Ag |
960.6 |
FCC |
18.9 |
429.0 |
|
Cu |
1083.0 |
FCC |
16.5 |
401.0 |
|
Ni |
1455.0 |
FCC |
13.4 |
91.0 |
BC=body centered； FC=face-centered FCC=face-centeredcubic HCP-hexagonal close-pack
表1 候补元素和主要性能
|
系列 |
常用组成 |
熔点 ℃ |
|
Sn—Sb |
`99Sn/1Pb |
235 |
|
|
95Sn/5Pb |
232—240 |
|
Sn—Ag |
96.5Sn/3.5Ag（E） |
221 |
|
|
95Sn/5Ag |
221-240 |
|
Sn—Bi |
58Sn/42Bi（E） |
138 |
|
Sn—In |
48Sn/52In（E） |
118 |
|
|
Other Sn/In ratios |
—— |
|
Sn—Cu |
99.3Sn/0.7Cn（E） |
227 |
|
Sn—Zn |
91Sn/9Zn（E） |
199 |
E=etectic
表2 二元合金的大致成分和熔点
Sn—Zn合金的熔点是199℃，它的成分是Sn—9Zn，最接近183℃。无论从已有的设备和成本来考虑，Sn—Zn系列都是被认为最有潜在代替Sn—Pb合金的无铅焊料之一。
1.3 开发现状
Sn—Zn和Sn—Pb合金的熔点最接近，因此可与原来的设备共享。这对SMT生产厂家开发和应用无铅焊料是一个推动作用。国内具有SMT生产和研发能力的单位一般是分布在长江三角洲，包括上海、苏州、昆山等地，珠江三角洲，包括深圳、广州、东莞和中山等地。这些单位大部分是以生产为主。还有就是一些科研单位和高等院校。因此国内无铅焊料的开发也是在这些单位中进行。国外对无铅焊料的开发早就开始，而且很多企业已经自己开发并应用于自己的产品。美国、日本和欧洲都走在前列。表3列出了部分大公司用的无铅焊料。
|
钎料 |
熔化温度范围Θ/℃ |
应用工业 |
应用公司 |
特点 |
|
SnAg |
221-226 |
汽车 |
Visteon
NEC |
免清洗，高可靠性；熔点较高，数据多，存在Ag的问题 |
|
SnAgBi |
206-213 |
军事/航空 |
Panasonic |
作为候选合金，特实用于SMT生产，热循环可靠性高于SnAgCu，润湿性优于SnAgCu和SnAg，但Bi的存在会带来焊脚开裂、脆化、低熔点以及毒性；Ag的问题以及Bi的回收，成本是SnPb的2.2—2.7倍 |
|
消费品 |
Hitachi |
|
SnAgBi—Cu |
|
军事/航空 |
Panasonic |
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2005-3-10 |
