无铅钎料的研究现状

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1、无铅钎料的研究现状李杨(材料科学与工程学院，090902班，20090560)进入21世纪，环境保护已成为国家可持续发展策略的一部分。国家信息产业部2004年2月通过了《电了信息产品污染防治管理办法》。该办法规定自2006年7月1日起，列入电子信息产品污染重点防治目录的电子信息产品中不得含有铅、汞、？?有毒有害物质。钎焊是电子产品制造中的关键技术。在钎焊材料中，锡铅合金钎料的用量最大，国内年消耗量在万吨以上。其中电子工业用量占70%~80%。此外’随着微电子技术的发展，对电子设备小型化、轻量化、高性能方面提出更高要求，焊点尺寸越来

2、越小，而其承受的热、电、力载荷则越来越高。表面组装技术清楚地说明了Sn・Pb钎料在蠕变、热疲劳等力学性能方面的不足。国际上在电子等工业部门限制或禁止使用铅的呼声日见高涨。通用电器公司指出，60Sn-40Pb钎料焊点存在疲劳失效现象；同时欧洲空间中心发现，无引线陶瓷芯片载体(LCCC)封装软钎焊焊点’在-55-125°C经100周热循环’就能出现可视缺陷和电信号传输失真⑴。欧盟已通过立法将在2008年停止使用含铅钎料，美国和H本也正积极考虑通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用［2］。因此，发展无铅钎料已迫在眉睫，含铅钎料的限制使用

3、和禁止使用只是一个时间问题了。所以，研究和开发绿色环保无铅钎料以取代Sn-Pb钎料已成为世界各国广泛关注的前沿课题［3,4］o1无铅钎料发展概况金属无铅焊料主要是以锡为基础，添加银、铜、钮、锌、钢等第二金属元素组成的合金，并通过微量添加第三、第四种金属元素来调整其熔点和力学物理性能。就使用温度来看无铅焊料可以分为三类：高温锡-银（铜）系；中温锡-锌系；低温锡-铤系。无铅钎料研究的关键技术是新合金系的各项性能如熔点、熔化温度范围、润湿性、力学性能（强度、韧性、抗蠕变性）、物理化学性能（导电性、抗氧化性、抗腐蚀性能）等应与传统的Sn-

4、Pb钎料相近。而且成本不能过高。近10年来，国内外已经研究开发出多种无铅钎料合金，英成果主要集中在3个温度段及若干合金系列上。从进展情况看，有的无铅钎料合金可以直接采用，或对现行工艺不做大的改变就可能实现替代。但还有一些很有前景的钎料合金，用的时候可能要对现行工艺做某些调整。经过大量评估，虽然无铅钎料在合金系的研发方向有过一些曲折，但目前己经集中在Sn-Ag（-Cu）系和Sn・Zn系上，当前公认的最有前景的几种无铅钎料均是以Sn-Ag、Sn・Zn为基体添加适量的Cu^Bi、In等金属元素所形成的三元合金和多元合金。Sn-Ag（-C

5、u）系无铅钎料是国际上公认的无铅焊锡的首选材料。然而，该合金系的熔化温度为217°C,比现在使用的Sn-Pb共晶焊锡的183°C高34°Co虽然零部件的耐高温化研究也在不断进展，但仍然有一些零部件不能承受高温；而且今后基板会变得更薄,高温更容易使其变形等，这样高的熔化温度仍然存在着很大的问题。因此,添加其它Bi或In的Sn-Ag系，或者共晶温度为199°C的Sn-Zn系的研究也正在进行，在实用化方面也有进展。另外Sn-Cu系焊锡由于价格较低,作为波峰焊用的焊锡应用范围正在扩大。采用波峰焊工艺,焊锡熔化温度的升高不一定导致封装温度上

6、升。除此之外，能在更低的温度进行热熔焊的焊锡，例如在180°C可以使用的焊锡有以Sn・Bi为代表的低温焊锡。这种焊锡到目前为止一直应用于一些特殊的场合，英缺点是本身比较脆。在一些特定的条件下可以考虑使用。以下给出了有代表性的无铅钎料，以及使用时的注意事项。工业发达国家对无铅钎料的研究非常重视。如美国的IBM、AT&T、BellMotorola等大公司、Sandia国家实验室等都对这种重要的金属功能材料的研究投入了相当的力量，美国国家制造科学中心(NCMS)联合GM-Delco电子公司，福特公司等八家单位耗资1000万美元‘

7、用4年时间研究了几十种Sn-Pb钎料的替代品种，其中Sn-3.8Bi、Sn-3.5Ag-4.8Bi、Sn-3.5Ag最有希望用于微电子表面组装。美国Amas实验室的Foley等人⑸研究了13种无铅和2种含铅软钎料合金,并得到了不同温度及应变速率下的力学性能试验结果，为高温条件下的无铅软钎料合金的优化选择提供了依据。试验结果表明，所选的任何一种无铅钎料合金的剪切强度都要高于含铅钎料的剪切强度。美国Amas实验室的Anderson⑹对新型无铅共晶合金Sn-4.7Ag-l.7Cu及其近共晶合金Sn-3.8Ag-0.7Cu和Sn-3.6A

8、g-l.0Cu进行了研究'并在钎料中添加Co和Ni等合金元素来改善合金的凝固组织，采用四点弯曲法测量了接头的剪切强度。试验结果表Sn-3.5Ag和所有的Sn-Ag-Cu合金及Sn-Ag-Cu-X钎料合金的剪切强度在测试范围内近似。Sn-3.5Ag钎