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無鉛知識與工藝
無鉛知識與工藝
 

無鉛化的前期導入制程提要

一、鉛的危害及實施無鉛化的必要性與可行性

二、無鉛焊料發展進程

三、軟釬焊行業對無鉛焊料的要求

四、無鉛化進程中所涉及的相關行業及其協作關系

1、電子制造業廠商 2、電子元器件廠商 3、線路板制造廠商 4、焊料生產廠商 5、焊用設備制造商 6、無鉛焊料的專業研發機構

五、目前所開發的無鉛焊料種類及其品質、成本之評估

1、無鉛焊料研發現狀 2、無鉛焊料的種類及特性 3、無鉛焊料的成本評估

六、無鉛焊料的推廣應用過程中所需解決或應注意的相關問題

1、無鉛錫絲的使用七、建議電子行業無鉛化的導入制程

內 容 一、鉛的危害及實施無鉛化的必要性與可行性在焊料的發展過程中,錫鉛合金一直是最優質的、廉價的焊接材料,無論是焊接質量還是焊后的可靠性都能夠達到使用要求;但是,隨著人類環保意識的加強,“鉛”及其化合物對人體的危害及對環境的污染,越來越被人類所重視。 美國環境保護署(EPA)將鉛及其化合物定性為17種嚴重危害人類壽命與自然環境的化學物質之一,鉛右通過滲入地下水系統而進入動物或人類的食物鏈;在日常工作中,人體可通過皮膚吸收、呼吸、進食等吸收鉛或其化合物,當這些物質在人體內達到一定量時,會影響體內蛋白質的正常合成,破壞中樞神經,造成神經和再生系統紊亂、呆滯、貧血、智力下降、高血壓甚至不孕等癥狀;鉛中毒屬重金屬中毒,在人體內它還有不可排泄、并且會逐漸積累的問題。美國職業安全與健康管理署(OSHA)標準:成人血液中鉛含量應低于50mg/dl,兒童血液中鉛含量應低于30mg/dl。中國已加入WTO,中國市場已經逐步與國際市場接軌;為了提高自身產品的適應能力,及出口時避免上述不必要的麻煩,國內廠商應加強產品無鉛化的意識,盡快地適應國際市場的要求,不要走在別人的后面,否則產品將失去一定的競爭力,在日趨激烈的國際競爭中處于下風;在我國沿海開放地區的外資廠居多,其中上規模的國際大公司也不少,這些外資公司已經注意到了無鉛化的必要性,有些公司已將無鉛化提入公司改進日程。綠色環保產品是新世紀的主流,但是無鉛化是否可行呢?這個問題要從技術、成本以及無鉛焊料與目前軟釬焊設備的兼容性等多個角度去解答。首先從技術上來講,無鉛化已得到了多個國家的重視,好多國家設有無鉛焊料研發的專門機構,這些研發機構以及焊料生產廠商,都已經研發出多種無鉛焊料,且有相當一部分被實驗證明是可以替代錫鉛焊料的產品,(具體的無鉛焊料種類及其特性本文第五要點有詳細介紹);從成本角度考慮,目前所開發出的無鉛焊料成本一般的在錫鉛合金價格的2~3倍左右,據粗略統計,所用焊料的費用不超過產品總成本的0.1%左右,所以不會對產品的總體成本造成太大的影響;就設備而言,目前也有適應無鉛焊料的波峰焊及再流焊設備出廠,但是,眾多無鉛焊料研發機構及生產商仍在不斷努力改進無鉛焊料本身的質量參數,以適應客戶目前的現有設備。

二、無鉛焊料發展進程 1991和1993年:美國參議院提出將電子焊料中鉛含量控制在0.1%以下的要求,遭到美國工業界強烈反對而夭折; 1991年起NEMI, NCMS, NIST, DIT, NPL, PCIF, ITRI, JIEP等組織相繼開展無鉛焊料的專題研究,耗資超過 2000萬美元,目前仍在繼續; 1998年日本修訂家用電子產品再生法,驅使企業界開發無鉛電子產品; 1998年10月日本松夏公司第一款批量生產的無鉛電子產品問世; 2000年6月:美國IPC Lead-Free Roadmap 第4版發表,建議美國企業界于2001年推出無鉛化電子產品,2004年實現全面無鉛化; 2000年8月:日本 JEITA Lead-Free Roadmap 1.3 版發表,建議日本企業界于2003年實現標準化無鉛電子組裝; 2002年1月歐盟 Lead-Free Roadmap1.0 版發表,根據問卷調查結果向業界提供關于無鉛化的重要統計資料;歐盟議會和歐盟理事會2003年1月23日發布了第2002/95/EC號《關于在電氣電子設備中限制使用某些有害物質的指令》,在這個指令中,歐盟明確規定了六種有害物質為:“汞(Hg)、鎘(Cd)、六價鉻(Cr)、鉛(Pb)、聚溴聯苯(PBB)、聚溴二苯醚(PBDE)”;并強制要求自2006年7月1日起,在歐洲市場上銷售的電子產品必須為無鉛的電子產品;(個別類型電子產品暫時除外) 2003年3月,中國信息產業部擬定《電子信息產品生產污染防治管理辦法》,提議自2006年7月1日起投放市場的國家重點監管目錄內的電子信息產品不能含有Pb。

三、焊接行業對無鉛焊料的要求無鉛焊料首先要能夠真正滿足環保要求,不能把鉛去除了,又添加了新的有毒或有害的物質;要確保無鉛焊料的可焊性及焊后的可靠性,并要考慮到客戶所承受的成本等眾多問題。概括起來講,無鉛焊料應盡量滿足以下這些要求: 1、無鉛焊料的熔點要低,盡可能地接近63/37錫鉛合金的共晶溫度1830C,如果新產品的共晶溫度只高出1830C幾度應該不是很大問題,但目前尚沒有能夠真正推廣的,并符合焊接要求的此類無鉛焊料;另外,在開發出有較低共晶溫度的無鉛焊料以前,應盡量把無鉛焊料的熔融間隔溫差降下來,即盡量減小其固相線與液相線之間的溫度區間,固相線溫度最小為1500C,液相線溫度視具體應用而定(波峰焊用錫條:2650C以下;錫絲:3750C以下;SMT用焊錫膏:2500C以下,通常要求回流焊溫度應該低于225~2300C)。 2、無鉛焊料要有良好的潤濕性;一般情況下,再流焊時焊料在液相線以上停留的時間為30~90秒,波峰焊時被焊接組件管腳及線路板基板面與錫液波峰接觸的時間為4秒左右,使用無鉛焊料以后,要保證在以上時間范圍內焊料能表現出良好的潤濕性能,以保證優質的焊接效果; 3、焊接后的導電及導熱率都要與63/37錫鉛合金焊料相接近; 4、焊點的抗拉強度、韌性、延展性及抗蠕變性能都要與錫鉛合金的性能相差不多; 5、成本盡可能的降低;目前,能控制在錫鉛合金的1.5~2倍,是比較理想的價位; 6、所開發的無鉛焊料在使用過程中,與線路板的銅基、或線路板所鍍的無鉛焊料、以及元器件管腳或其表面的無鉛焊料及其它金屬鍍層間,有良好的釬合性能; 7、新開發的無鉛焊料盡量與各類助焊劑相匹配,并且兼容性要盡可能的強;既能夠在活性松香樹脂型助焊劑(RA)的支持下工作,也能夠適用溫和型、弱活性松香焊劑(RMA)或不含松香樹脂的免清洗助焊劑才是以后的發展趨勢; 8、焊接后對焊點的檢驗、返修要容易; 9、所選用原材料能夠滿足長期的充分供應; 10、與目前所用的設備工藝相兼容,在不更換設備的狀況下可以工作。

四、略

五、目前所開發的無鉛焊料種類及其品質、成本之評估

1、無鉛焊料研發現狀:美國國家生產科學研究所(NCMS)通過篩選得到了7種無鉛焊料并在此基礎上,進行了實用性和可靠性二次評審,最后推薦了三種合金供選擇。(見表一)表一:美國用于表面安裝推薦的三種無鉛焊料合金合金種類 熔融溫度 適用范圍 Sn-58Bi 1390C 家用電器、攜帶式電話 Sn-3.4Ag-4.8Bi 205~2100C 家用電器、攜帶式電話、宇宙航空、汽車 Sn-3.5Ag-0.5Cu-1In 2210C 家用電器、攜帶式電話、宇宙航空、汽車 在日本,日本電子工業振興協會(JEITA)組織評定了無鉛焊料。表二為JEIDA組織評定的過渡期可用的合金。 表二、JEIDA組織評定的可用的合金 項 目內容系別 合 金 再流焊(R)波峰焊(F) Sn-Ag Sn-3.5Ag-0.75Cu R F Sn-Ag-Cu Sn-3Ag-0.7Cu F Sn-Ag-Bi Sn-2Ag-3Bi-0.75Cu R Sn-2Ag-4Bi-0.5Cu-0.1Ge R Sn-3.5Ag-5Bi-0.7Cu R Sn-3.5Ag-6Bi R Sn-Bi Sn-1Ag-57Bi R

 2、無鉛焊料的種類及特性從各國相關組織推薦的各種無鉛焊料及各大公司試用的狀況總結,目前過渡期無鉛焊料可分為下述4類,見下表: 種類 共晶比 共晶點 (0C) 特 點 缺 點 優 點 Sn-Ag Sn-3.5Ag 221 中高溫系,延展性/ 潤溫性比Sn-Pb差 較強的一致性和可重復制造性,并已在電子業界應用多年,一直保持很好的可靠性;用于回流焊/波峰焊/手工焊焊接; Sn-Cu Sn-0.7Cu 227 抗拉強度延展性比 Sn-Pb差 成本低/可應用于波峰焊/手工焊 Sn-Bi Sn-58Bi 138 Bi資源有限,熔點太低, 機械強度較差,易虛焊 熔點低,抗熱疲勞性好 Sn-Zn Sn-9Zn 199 易氧化/易腐蝕/潤濕性很差 機械性能較好,較接近Sn-37Pb,中溫系 3、無鉛焊料的成本評估:合金成份(%) 成本比較倍數 Sn-37Pb(標準焊料) 1.00 Sn-0.7Cu 1.49 Sn-3.5Ag 3.20 Sn-3.5Ag-0.7Cu 3.19 Sn-3.0Ag-0.5Cu 2.87 Sn-0.7Cu-0.07 Ni 2.0 六、無鉛焊料的推廣應用過程中所需解決或應注意的相關問題 1、無鉛錫絲的使用: ①、注意烙鐵功率的選擇,無鉛焊料的熔點比錫鉛合金高出許多,在不影響元器件所受熱沖擊的情況下,可適當把烙鐵功率加大,以加快熔錫與上錫的速度;焊接溫度不能低于3750C或用60W烙鐵。 ②、在焊后焊點的感觀上,不能按以往錫鉛合金的標準評判,通常的無鉛焊料焊點不如錫鉛合金焊點平滑、光亮,但只要能保證焊點的完全焊接及其檢測時的可靠性,應屬可接受范圍。

七、建議電子行業無鉛化的導入制程根據企業實際狀況,首先應抽調工程、品管、生技等部門相關人員,成立無鉛化推行論證工作小組,然后由該工作小組制定出適合本企業的無鉛焊料導入計劃,以及完成該計劃中每一個小節的具體時間,并發放各相關職能部門,要求企業內各部門按計劃分配工作,并予以執行。相關推廣工作及導入計劃內容有以下幾點可供參考: 1、對相關無鉛焊料的各種資料進行書面論證: ①、無鉛焊料之起源: ②、無鉛焊料之推動力: ③、無鉛焊料之市場導向: (①至③可參考本文第一點相關論述) ④、無鉛焊料之性能: ⑤、無鉛焊料成份之選用: ⑥、無鉛焊料品質之評估: ⑦、無鉛焊料成本之評估: ⑧、與無鉛焊料相匹配之助焊劑性能:(④至⑧可參考本文第五、六點相關論述;以上①至⑧也要求焊料供貨商協助提供相關支持;) 2、協調、選擇無鉛焊料供貨商對具體無鉛焊料產品進行評估;(可要求無鉛焊料生產廠商提供其產品配比或所含金屬元素成分、焊料性能、適用的溫度區線、對焊接設備的要求等方面相關資料) 3、協調各電子元器件生產商對電子元器件在無鉛化進程中的適用性,及其性能論證;(此點應包括元器件管腳鍍層之無鉛成份及元器件所能承受熱沖擊能力進行評估) 4、對線路板生產商進行線路板無鉛化評估;(此點包括線路板自身的無鉛化評估,及線路板所能承受之熱沖擊能力評估) 5、對企業現有設備進行評估;(可參照本文第六點相關論述,或請求設備供貨商予以支持) 6、對引入無鉛焊料后生產工藝之調整,以及生產工藝調整后對企業產品質量、生產效率等各方面所帶來的影響進行評估;(相關參數之調整可參照本文第五點及第六點相關論述) 7、對無鉛化導入計劃中所涉及到各部門,要求他們作出相應工作計劃書; 8、在確定以上程序基本完成,并有理論、技術支持后,可在工程或技術部門內部做無鉛焊料的應用實驗; 9、對實驗結果進行總結,對不足或存在明顯缺陷部分進行改進,或協調相關供貨商尋求技術支持; 10、將無鉛焊料安排到生產線進行試用、或對部分產品進行無鉛化實驗; 11、在所有評估、實驗完成以后,進行最終的無鉛化導入程序進行總結;并編制無鉛焊料使用工藝及各相關工位工作指導書。

無鉛手工焊接成本成本項目:

1.元件成本:元器件全部需符合無鉛標準; 2.焊錫成本:無鉛焊錫價格為有鉛焊錫3倍以上; 3.焊臺成本:無鉛專用焊臺價格為普通焊臺2-10倍以上,不過為一次性投入; 4.耗材成本:無鉛用烙鐵頭消耗快,且價位為有鉛烙鐵頭3-5倍以上; 5.人力資源成本:培訓

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