1、无铅合金介绍无铅合金介绍应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院目目 录录一、各种代替铅的元素二、无铅合金焊锡的选择三、SAC合金之隐患解析四、无铅制程有关的试验五、结论应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院一、各种代替铅的元素一、各种代替铅的元素代替铅的元素，首先必须考虑成本方面。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院 除了成本之外，还必须了解考虑作为铅替代的元素的供需情况。如表可以看出含铋合金从可利用资源的出发点上是无希
2、望的，现在可利用得铋供应可能被全部用完，如果将此合金广泛用于正在蓬勃发展的电子工业，那这种可利用资源将会全部用完，在要使用此种可利用资源的其它工业上就根本就无法供用。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院美国矿产局有关不同元素的世界用量及产量的资料如下应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院 我们要估量各种元素的价格，各元素的产量，从价格表中可以看出比铅贵的元素有很多，例如，铟(In)是用来取代铅的主要元素之一，但它是一种次贵重金属，几乎和银一样贵。可是应该注意，所建议的焊锡合金的
3、高成本在决定最终产品价格时，并不象最初所显示的那么重要。因为所需的量少，在装配中，和其它成本因素如：组件、电路板及装配相比，焊锡成本几乎不重要。最重要的是所选合金的性能。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院二、无铅合金焊锡的选择二、无铅合金焊锡的选择2.1 无铅焊锡的选择原则2.2 为什么仍使用锡焊料2.3 主要添加焊料成份的特性2.4 常见无铅合金的特性2.5 常用无铅焊锡系列的优缺点应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院2.1 2.1 无铅焊锡的选择原则无铅焊锡的选择原则1
4、)材料必须具有市场提供性2)焊料的熔点尽可能低3)合金元素尽可能的少4)无毒无害，符合环境保护要求5)易回收，废渣产生少6)成本低7)专利应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院无铅焊锡合金选择考虑因素无铅焊锡合金选择考虑因素:湿润性和可焊接性可靠度熔点焊点机械强度存储寿命和稳定性易于采购和无铅组件的兼容性抗氧化性应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院 250230210200190180锡铜合金锡银系列合金(without Bi)(+Cu)(+Sb)锡银系列(with a lit
5、tleBi)(+Cu)(+少量添加)SnAg series with more Bi(+Cu)(+少量添加)SnAgBiIn(206C)SnZnAl(199C)SnBiSb锡锌系列(with Bi)应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院2.2 2.2 为什么仍使用锡焊料为什么仍使用锡焊料SnSn的优点：的优点：1)Sn和其它金属之间有良好的亲和力2)熔点低3)无毒无公害4)地球上存储量大，价格便宜。用什么材料来代替Pb?应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院2.3 2.3 主要添
6、加焊料成份的特主要添加焊料成份的特性性应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院Sn-Cu合金二相限圖2.4 2.4 常见无铅合金的特性常见无铅合金的特性1)1)锡铜合金锡铜合金(SnCu/0.75)(SnCu/0.75)共晶熔点：227SnCu合金为波峰焊制程最便宜之焊料。共晶合金为单一熔点，抗热疲劳性质比SnPb佳，但存在着熔点较高且机械性不佳问题。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学
7、院Sn-Ag合金二相限圖2)2)锡银合金锡银合金(SnAg/3.73)(SnAg/3.73)共晶熔点：220.3SnAg合金熔点温度比Sn-Ag-Cu较高，使用多年，但仍有银析现象出现。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院Sn-Zn合金二相限圖3)3)锡锌合金锡锌合金(SnZn/8.8)(SnZn/8.8)共晶熔点：190SnZn合金熔点较低，接近Sn-Pb，但Zn易氧化，焊接点会被腐蚀，润湿性不及Sn-Ag-Cu良好，需要特殊的助焊剂配合使用。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技
8、术学院Sn-Zn合金二相限圖4)4)锡铋合金锡铋合金(SnBi/56.97)(SnBi/56.97)共晶熔点：138.8 SnBi合金熔点温度低，有较好的润湿性和良好的热循环可靠性。目前在Thermal产品上使用广泛，属于低温焊料.应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院2.5 2.5 常用无铅焊锡系列的优常用无铅焊锡系列的优缺点缺点应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院三、三、SACSAC合金之隐患解析合金之隐患解析无铅焊料特点(SAC305):熔点高，183 vs 217。表面
9、张力大，流动性差，润湿性差。延展性有所下降。拉伸强度和耐疲劳性强比Sn/Pb优越。对助焊剂的热稳定性要求更高。高温下对Fe有很强的溶解性。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院a Sn-3.0Ag-0.5Cub Sn-3.9Ag-0.6Cu左图为Sn-Ag-Cu反应形成了Cu3Sn和Cu6Sn5等界面化合物。为什么表面会粗糙?1.SAC1.SAC无铅合金的认识无铅合金的认识 SAC是目前业界普遍使用的一种焊锡右图为在铜界面上形成一些界面金属化合物。图a表面有一些毛须，图b表面可以明显看到粗糙的颗粒应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学
10、资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院2.SAC2.SAC材料的表面外观结构材料的表面外观结构 SAC的表面张力比Sn-Pb大，在凝固结晶时会形成树枝状，造成焊料表面裂纹，导致焊点外观呈现粗糙，不光滑。所以为了得到细腻的结晶和良好的焊接强度，通常通过急速降温办法来改善，但降温速度过快则焊点形成过程中残留应力会造成焊点Crack。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院Void3.SAC3.SAC之焊点空洞之焊点空洞(Voids)(Voids)主要原因：a)残存有机物在高温裂解后的气泡无 法及时溢出，以及吸入水气所致，其残
11、留物最主要来源就是助焊剂陷 入，又经强热裂解所形成。b)液态焊料的表面张力大c)熔点温度高，为了焊点有细腻的结 晶与良好的强度，进行急速的降温Void究竟是如何产生的呢?应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院左图为BGA组件焊接前后锡球的变化情形右图为锡球中之空洞太大，以致挤压无铅焊料向左强力推出，从而造成与左球短路的真相焊接后焊接前4.SAC4.SAC之焊点空洞之焊点空洞(Voids)(Voids)的形成解析的形成解析解析一解析一:助焊剂的影响助焊剂的影响 锡膏中的助焊剂在经瞬间高温作用下裂解成为气体。气泡的浮力比液态焊锡的表面张力小
12、，被焊锡吸住不能出来。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院焊垫表面为OSP处理，当其有机膜未完全赶出时，无铅焊锡界面细碎的空洞将会增多。解析二解析二:焊垫处理的影响焊垫处理的影响 焊垫为有机保护剂(OSP)处理时，皮膜与焊垫界面的空洞较多。OSP膜愈厚，不能被助焊剂顺利推走，以致气泡不能顺利排出，从而行成空洞，因此，OSP皮膜最好不要超过0.35m。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院解析三解析三:焊垫盲孔或焊垫下通孔的影响焊垫盲孔或焊垫下通孔的影响Via in Pad设计节
13、省了空间，减少高频与高速信号之路径和杂工、信号。在SMT印锡焊接时，在孔内的气体未排除，加上助焊剂有机物的额外发气，增加了空洞出现的机率。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院 左图为BGA垫内盲孔，中图为一般平面球垫与盲孔球垫，右图为盲孔球垫空洞之情形。应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院其它因素：其它因素：焊垫面积的影响 助焊剂黏稠度的影响 沾锡时间的影响 温度曲线的影响 溶剂沸点的影响应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业
14、技术学院上图为Sn-3.8Ag-0.7CU合金，反应后形成Ag3Sn，Ag3Sn的片状结构容易导致焊点开裂和滑移，以至早期失效。SAC无铅合金与Cu接合产物分析应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院露铜问题：(如下图)应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院四、无铅制程有关的试验四、无铅制程有关的试验1.储存寿命 11.导热性2.黏稠时间 12.机械特性3.锡球 13.热疲乏特性4.湿润能 14.抗腐蚀特性5.焊点外观 15.抗氧化特性6.熔解温度 16.材料之导电性7.溶解行为
15、17.与现有助焊剂相容8.液化温度 18.拉力强度9.无辐射 19.低价10.无毒应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院合金材料之熔解温度合金材料之熔解温度合金成分合金成分 熔解温度熔解温度 液化温度液化温度63锡/37铅 182.1 183.096.5锡/3.5银 219.7 220.899.3锡/0.7铜 225.7 227.095.5锡/3.8银/0.7铜 216.3 217.593.6锡/4.7银/1.7铜 215.9 218.296.2锡/2.5银/0.8铜/0.5锑 216.9 218.291.7锡/3.5银/4.8铋 20
16、2.1 215.190.5锡/7.5铋/2银 190.6 214.758铋/42锡 136.3 138.595锡/5锑 238.3 240.389锡/8锌/3铋 190.6 195.4应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院无铅焊锡比较表无铅焊锡比较表Sn-3.5AgSolder WireSn-Ag-Cu Sn-Ag-Cu-SbSn-0.7CuSolder BarSn-Bi-Ag Sn_Zn-Bi熔解溫度53.53.5621焊墊抗拉力(1)2.52.52.52.55.55.5焊習性(2)4235110製程方便性(3)31.51.55410
17、可靠性(4)31.51.5456可回收性(5)2.52.52.52.556成本(6)4.54.54.51.54.51.5合金之獲得性(7)1.5331.556總分262123283246平均分數3.32.62.93.54.05.61:Good，6:Poor，10:Bad应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院Notes:(1)BiNotes:(1)Bi合金倾向于焊垫拉起和有铅污染问题合金倾向于焊垫拉起和有铅污染问题(2)Zn 合金易氧化需强助焊剂(3)SnAgCu(Sb)and SnAg 有低温好处。但 SnBiAg 需考虑焊垫拉起问题(
18、4)平均值而已;不同test/service条件会有不同分数(5)Zn and Bi 增加问题与成本;some pros and cons for all other alloys(6)大约相对成本;依据Ag含量;bar比 paste有效果(7)SnAgCu 有些专利;SnAgCuSb 专利与许可证;SnBiAg and SNZnBi 有各种专利应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院无铅焊料价格与产能无铅焊料价格与产能元素 成本 密度 年产能(TN)已供货(US$/Kg)20;g/cm3Pb 1.1 11.34 -Zn 1.06 7.1
19、3 7，000，000 是Cu 2.25 8.93 8，000，000 是Sb 2.64 6.68 46，000 是Bi 7.15 9.8 4，000 限制Sn 8.67 5.8 80，000 是Ag 153.20 10.49 1，600 限制In 194.60 7.28 90?应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院AlphaAlpha金属之无铅锡
20、膏样品状况表金属之无铅锡膏样品状况表应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院Alpha MetalAlpha Metal可提供之产品规格可提供之产品规格应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院Alpha MetalAlpha Metal可提供之产品型别可提供之产品型别锡膏:(Wetting/Mechanical Strength/Melting Temp.)96.5Sn/3.5Ag 95Sn/5Ag 95Sn/5Sb 42Sn/58Bi Sn/Zn 96.5Sn/3Ag/0.5Cu锡
21、丝:99.5Sn/0.5Cu 99.3Sn/0.7Cu 96.5Sn/3.5Ag 96Sn/4Ag锡棒:(Solder dross/Melting Point)96.5Sn/3.5Ag 96Sn/4Ag99.3Sn/0.7Cu应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院已公布无铅合金之企业已公布无铅合金之企业Ford:Sn/Ag Notel:Sn/CuHitachi:Sn/Ag Matsushida:Sn/Ag&Sn/Ag/CuNokia:Sn/Ag/Cu Toshiba:Sn/Ag/Cu应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设
22、设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院Alpha MetalAlpha Metal可提供之产品可提供之产品无铅相容助焊剂无铅相容助焊剂:应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院1.市场与环境保护之必然趋势2.禁用铅法律之限制3.无铅焊料将更具竞争性4.技术与试验将快速成熟5.客户要求压力会愈来愈大6.生技部门应收集更多相关资料并介入技术与制程之study7.采购部门应开始询问供货商所提供原物料之成分证明，如有含铅或溴化物者必须提出导入计划五、结论五、结论应应用用电电子子技技术术专专业业教教学学资资源源建建设设湖南铁道职业技术学院湖南铁道职业技术学院8.VQA必须对此作业了解，到时要检验其成分表9.必要时可联合邀请供货商举办无铅制程之说明会10.先索样品进行制程试验或请外面机构化验11.可从提出要求之客户处索取必要之信息或请其协助导入12.成本之考虑与预算之影响应同时列入考虑
