无铅焊料的材料研制工艺过程及相关结构问题的研究Word下载.docx

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在焊点处的焊接缺陷率程度要低。

1.2无铅焊料类型与主要特点

（1）无铅焊料的类型。

以锡（Sn）金属为基础的无铅焊料可分为二元体系、三元体系甚至四元体系等，表1列出的是目前认为有应用价值的无铅焊料成分和组成情况。

表1无铅焊料的类型、合金组成和低共（晶）熔点

表2列出的二元体系无铅焊料的基本特性

1.3无铅焊料与有铅焊料的比较

目前的无铅焊料，从可焊性和可靠性等各方面综合结果来看，最有希望并能取代有铅焊料的类型与组成应是三元体系的96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu。

各种性能（化学、物理和机械等）都处在其它无铅焊料体系之上。

表4列出了无铅的96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu和传统63Sn/37Pb焊料焊接性能的比较。

二、无铅焊料的焊接

无铅焊料的焊接，最关键的有三大问题:

一是无铅焊料合金组成的低共（晶）熔点偏高:

二，是无铅焊料合金润湿性差，焊接需要有更高的焊接温度和更长的高温停留时间;

三是无铅焊料焊接后的焊点（或焊接）的可靠性问题。

2.1无铅焊料合金的低共（晶）熔点

大多数的无铅焊料合金组成的低共（晶）熔点是很高的，因此，无铅焊料的焊接要求有更高的预热温度和焊接温度、更长的高温焊接时间和更快的冷却速度等，对热敏感大的元器（组）件、PCB基板等都将带来新的考验与挑战，如图1所示。

图1Sn-Pb焊料与Sn-Ag-Cu焊料的焊接温度曲线

2.2无铅焊料合金的润湿性能

无铅焊料合金在高温熔融焊接时，由于表面张力比传统63Sn/37Pb焊料大（见图2），因而其润湿性能较差，要求润湿时间更长。

图2传统63Sn/37Pb焊料和无铅SAC305焊料的表面张力随温度变化情况无铅焊料的润湿性较差和高温焊接需要停留时间较长的根本原因是由于这些无铅化焊料在焊接的高温下具有较大的表面张力的结果。

也正因为无铅焊料的表面张力大，为了保持焊接的焊点的完（饱）满性，从而必须采用从高温下快速地冷却（一般为6℃/s）下来，以便能满足这种要求。

而更快的冷却速度可以得到更好的润湿性焊点，但是会引起更人的热应力问题，所以通过实验兼顾各种性能而采取的折衷方案是最科学的。

2.3无铅焊料焊接的可靠性

（1）无铅焊料的焊接点可靠性。

从目前无铅焊料的实验、试用和报道等来看，无铅焊料的焊接点在抗热疲劳性能（强度）较优于传统Sn-Pb焊料外，其它的性能皆劣于传统Sn-Pb焊料所形成的焊接点。

无铅焊料所形成的焊接点比起传统Sn-Pb焊料主要有如下不足与缺陷:

①无铅焊接易于形成微空洞（micro-voids）；

②微空洞的危害性；

③微空洞的成因；

（2）无铅焊料在焊接时PCB的可靠性。

无铅焊料在焊接时影响常规PCB基板的可靠性，主要有五个方面:

基板分层、裂缝、变色等；

层间连接的导通孔发生裂缝、断开甚至剥离（类似凹缩）；

焊盘（

连

接盘）翘起、脱落；

PCB基板扭曲、翘曲；

更易于发生CAF现象。

这五个方面发生的危害皆是与热（温度）成正比例的，因而其危害程度将比传统Sn-Pb焊料在焊接时带来几率更多、几率更高、程度更大。

无铅焊料焊接的类型与方法如表5。

表5无铅焊料的焊接类型与注意点

（63Sn/37Pb）性能（特别是表面张力和湿润性方面）的等级；

（2）无铅焊料焊接的焊点，其润湿性差、各种缺陷较多，这些问题严重威胁着电子产品的可靠性；

（3）更重要的是目前最佳的无铅焊料（96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu）的焊接温度偏高20℃-40℃之多，而且高温焊接的停留时间偏长（约增长30%以上），这对元器件、CCL基材、PCB基板、焊接条件（设备、助焊剂等）等都带来了新的冲击与要求，必须系统地加以解决才行；

（4）电子产品实施无铅化的相关的规范和标准必须相应跟上，当然无铅化电子产品的规范和标准是从“实践”中来的，需要经过产品的试

验、应用等一段时间加以综合总结才能制定出来。

但是，无铅化的规范和标准是可以结合传统的有铅焊料加上无铅焊料的主要特征和差异等制定相应（即使是草案或过渡性的）规范与标准，特别是可靠性的试验（如热冲击、热应力和CAF等）将会有更严格的要求。

三、电子元器（组）件无铅化

由于无铅化焊接电子元器（组）件需要有更高的焊接温度、更长的高温焊接时间和更快的冷却温度等，需要对电子元器（组）件及其引脚（线）表面涂（镀）层与无铅焊料之间的焊接可靠性的影响进行研究、了解和掌握。

3.1元器（组）件的耐热性能

无铅化焊料与焊接的最本质的问题是需要有更高的焊接温度、更长的高温焊接时间，这就决定了用于无铅化的元器（组）件需要有更好的耐热性能，特别是对于热敏感的元器（组）件必须改进其耐热性能，否则会损害其特性，甚至产生可靠性问题。

3.2电子元器（组）件引脚表面涂（镀）层无铅化

电子元器（组）件引脚（线）表面涂（镀）覆层类型在无铅焊料的焊接中也是会影响无铅焊接的可靠性问题。

（1）电子元器（组）件弓I脚表面涂（镀）覆可焊性金属与合金。

（2）电子元器（组）件引脚（线）的焊接可靠性。

四、电子产品实施无铅化的某些规范与标准

实施的无铅化规范与标准的最大变动（与传统Sn-Pb系比较）或最突出的内容，主要是热应力和热冲击的两大试验方法与要求上，或者加上离子迁移（CAF）的试验。

4.1热冲击试验要求

这里的热冲击试验是指PCB产品（样品）在高、低温循环实验下的可靠性情况。

由于PCB走向无铅化焊接和高密度化连接等带来焊接和使用（操作）温度的提高，则原来规定的试验温度和条件等应加以拓宽或严格化。

（1）拓宽热冲击的高-低温范围。

无铅化的实施，实际上主要是把热冲击的高温段拓宽了，即由于操作温度由-10℃-+70℃提高到-10℃-+lO0℃,甚至高达130℃。

因此，热冲击的温度范围扩宽（主要是高温段部分）了，如:

-55℃-+125℃→-55℃-+145℃→-55℃-+165℃→-65℃-+165℃

注:

低端温度还可采用-40℃,-20℃,0℃等；

高端温度还可采用+70℃、+85℃、+105℃、+150℃、+170℃等，然后组合成各种各样不同的温度幅度（温差）试验条件。

但是对于无铅化PCB的热冲击试验而言，从耐高热角度看，应选大的温差幅度的热冲击条件来进行试验。

（2）增加了高低温（热冲击）循环次数要求。

4.2热应力试验

热应力试验有多种方法与级别要求，这里是指PCB产品（样品）在焊料288℃±

5℃下浮（漂）焊10秒或者在260℃（或288℃,300℃甚至320℃）保持30（或10）分钟的质量情况。

由于无铅化焊接等的要求浮焊的次数增加了或浮焊的时间延长或浮焊温度上升了。

具体试验要求如表5和表6所示。

4.3离子迁移试验

随着无铅化PCB的焊接温度和加工与使用温度的提高，加上PCB高密度化的不断进步与发展，因而产生离子迁移的机率也明显增加了。

所以加强PCB离子迁移的可靠性试验突出起来，一般采用湿热试验方法，如在85℃/85%RH/30V/1000小时下，其绝缘电阻应大于1×

108Ω以上。

或者采用高压釜（压力锅）蒸煮（PCT,pressurecookertest）试验。

五、无铅焊工艺

5.1回流焊

对于Sn-Ag-Cu焊料（熔点为217-219℃），其熔点比Sn-Pb焊料高出30℃,因此其工艺窗口相应变窄，钎焊温度相应提高，必然增大对各种电子零件和基板的热冲击。

经过试验验证，如果提高预热温度，延长预热时间，可以减小基板上的温度分布差别。

所以，无需大幅提高钎焊温度，在240℃左右进行热熔焊已经成为可能，其热熔焊温度流程图如图2所示。

5.2波峰焊

采用无铅焊料进行波峰焊并不用大幅提高钎焊温度。

例如，原本Sn-Pb焊锡槽温度在250℃左右，则在此温度左右也可以进行Sn-Ag-Cu或Sn-Cu的波峰焊，只是对于Sn-Ag-Cu无铅焊料而言，焊接瞬间的波峰温度高达280℃以上（3-6s），且为了减少高温冲击，预热时间也需加长，由此而带来的负面效果也很多。

无铅焊料的浸润性一般来说比Sn-Pb差，在双面基板封装等场合，需要设法保证通孔内的浸润度。

如图3所T的温度曲线给出了一些改良措施。

首先，提高了预热温度以促进在峰值温度时的润湿。

但提高预热温度同样会加快氧化速度，

应同时采用改良焊剂和控制气氛等措施。

其次，提高了焊锡波的向上推力。

采用此方法时应注意防止出现搭桥等缺陷。

另外，如果在第一波峰和第二波峰之间基板温度下降至焊锡的熔化温度以下时，焊锡就会凝固。

因此要缩短两个波峰之间的间距，或者插入加热元件以防止温度降低。

六、无铅焊失效分析

自欧盟颁布WEEE/RoHS法令以来，世界各国对无铅焊料都进行了大量的研究，无铅焊接技术也得到了长足的发展。

目前，无铅焊料相对于Sn-Pb焊料而言仍存在浸润性差、熔点高、金属溶解速度快这三大不可忽视的弱点。

由此带来的是诸多的焊接失效问题。

6.1开裂（焊点剥离）

使用无铅焊料后，焊点浮裂的现象频繁出现，其成因各不相同。

（1）通孔波峰焊环面焊点浮裂；

（2）无铅焊料与镀铅元器件的匹配问题；

（3）表面贴装元件回流焊易产生浮裂。

6.2焊点空洞

在回流焊过程中，如果锡膏助焊剂等有机物或吸入的水份在焊料固化前未能及时浮离，或者在形成气体后未能及时逸出，就会在焊点中形成空洞。

其原因有很多种，主要是：

焊膏化学配方不合理，助焊剂活性不足；

锡膏勃度小，挥发成分较多；

焊点表面氧化；

引脚几何尺寸、焊点形状（PCBA各种组件引脚中，BGA球脚和QFN扁平焊点等空洞最明显）；

PCB板和元件的金属化。

空洞的出现与焊料本身的强度关系不大，通过改善焊接工艺一般在焊态可以避免，随着服役过程的热力循环，空洞逐渐发生和发展。

有研究认为，空洞的形成与焊料与导线及焊

料与基板的界面状态有关。

6.3晶须

各种无铅焊料或某些无铅表面处理层的含锡量都偏高，经过长时间老化后容易形成“锡须”而在密集线路之间发生短路。

晶须得生长机理如下：

（1）杂质产生内应力；

（2）IMC层的挤压应力；

（3）位错产生晶须。

6.4板材涨裂

无铅焊料的熔点和操作温度比Sn-Pb焊料平均上升30℃以上，而且预热时间与焊接时间也随之加长，因此焊接过程中大的温差使得PCB与封装材料间的CTE差异引起的不同材料界面间的热应力也随之增大，而容易产生板材涨裂的问题。

由于无铅焊料的高焊温和长焊时，可能会导致含卤板材裂解，严重的还会产生剧毒二恶英。

因此无铅焊接必须配合无溴高tg的板材同步使用。

七、各种缺陷的防止方法

防止各种无铅焊缺陷的方法主要有以下几种。

①不使用含Bi、In的合金，抑制固液共存区域的宽度。

为了防止在较高温度时形成固相，应该设法降低液相线温度。

②不使用Sn-Pb镀膜零部件，以防止Pb污染。

③优化回流焊温度曲线以脱除挥发物，延长预热时间和增加液相线以上停留时间将有助于减少空洞的滞留。

确保元件和PCB板远离潮气和涂覆污染物也有益于孔洞的减少。

④镀纯锡后采用氮气炉进行高温退火可以消除各种压缩性应力，减小晶须产生的可能。

⑤铜底材预镀底镍或者底银层，可以减少Cu6Sn5对锡层所造成的内应力，有

效地预防晶须的产生。

⑥加快锡钎焊的冷却速度，防止枝晶形成，以消除偏析。

例如水冷可以完全防止产生偏析。

⑦冷却过程中采用回火处理。

冷却过程中，在发生焊点剥离和开裂的温度之前停止降温，进行回火处理，促使Bi扩散，防止有害的界面偏析发生。

同时可

以使枝晶回火，减少残留应力。

⑧截断经过Cu的热传输，这与基板的设计有关。

可以将Cu材质换成热导率比较低的金属，或者将通孔内的Cu除去或加入隔热层等。

⑨减少基板的热收缩量，以减小导致焊点剥离的应力。

⑩改进基板的热传输设计，设法使基板内部的热有效的逸出。

八、结束语

无铅钎料研究的最终目标是找到一种替代品。

然而，采用某一种无铅钎料合金系来代替所有的Sn-Pb钎料是非常困难的，从国内外发展趋势来看，新型无铅焊料的设计趋向于合金的多元化，主要是因为：

①己有无铅锡基焊料的熔点不能满足工艺要求。

要么太高，要么太低，要么是液固相线温度相差太大；

②二元共晶合金的综合性能可以通过添加合金元素得到提高；

③通过优化钎料的成分，可以提高可焊性。

因此，多元合金化是新型无铅焊料设计的一大特点。

例如，Sn-Zn钎料己经在需要低温钎焊的PC电路板钎焊中应用；

Sn-Ag系合金钎料作为高熔点钎料在一些场合己经开始应用等。

为了实现电子组装的无铅化生产，仍需要进行很多研发工作。

比如元件的耐热性能尚需提高，以及涉及钎料合金成分、试验方法、组装生产工艺及焊接可靠性、焊后检验等方面问题仍需进一步深入研究。

只有各个方面同步发展了，世界无铅化的进程才能得到圆满成功。

大功率LED封装

LED是取自LightEmittingDiode三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。

目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线，目前发出紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。

除此之外还有在蓝光LED上涂上荧光粉，将蓝光转化成白光的白光LED。

21世纪，半导体照明很可能是半导体技术为人类文明、社会进步作出重大贡献的另一次机遇。

它在引发照明革命的同时，也将为节省能源、促进社会可持续发展作出贡献。

发光二极管（LED）由于具有工作电压低、低功耗、色彩丰富、价格低以及对环境污染少等优点，受到广泛的欢迎，并将在21世纪的显示、照明领域扮演重要角色。

一、LED应用领域

1、显示屏、交通讯号显示光源的应用

LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏；

交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED，因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯门在逐步更新换代；

2、汽车工业上的应用

汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。

汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。

1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。

由于LED响应速度快，可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯己成为汽车的标准件，美国HP公司在1996年推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。

此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED显示。

3、LED背光源

以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，己广泛应用于电子手表、

手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电了产品日趋小型化，LED背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。

4、LED照明光源

早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。

目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60亿升原油的能源，相当于五个1.35x106kW核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。

5、景观照明的应用

景观照明市场包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。

为了配合科技奥运、绿色奥运、人文奥运，北京市己提出要用LED作为照明光源来美化首都夜景。

而北京市广外大街二公里长的道路两侧，己使用了300-400万只LED作为景观灯饰。

6、其它应用

例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5亿只发光二极管；

利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内门在投产的制造商介绍，该公司己有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3亿只发光灯；

正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易破碎以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，门在威胁和替代现有灯泡的圣诞市场。

二、大功率LED的特点和发展现状

传统方式制作的LED有炮弹型和食人鱼型两种，但是这两种封装形式都存在致命缺陷，不能将热量顺利、有效地传输到外界，使得LED芯片因温度过高造成发光的严重衰减。

而大功率LED的出现首先在结构上设计更加合理，低热阻使热量很容易散发出去，降低了芯片的温升，延长了LED寿命。

并且新结构适合封装更大尺寸的LED芯片，使得一颗大功率LED器件的光通量达到多颗传

统LED器件的光通量总和，因此使整个光照系统结构更为小巧，使用更加灵活。

小功率LED由于采用环氧树脂封装，这种材料固化后材质脆而硬，与金线、芯片等热膨胀系数不匹配，因此很容易产生质量缺陷，而且环氧树脂还容易产生紫外老化，随着使用时间增加亮度衰减严重。

而大功率LED采用软性硅胶，可靠性大大提高，软性硅胶的抗紫外能力也高于环氧树脂。

大功率LED的长寿命和小巧的体积被更多的人接受，但是由于以往大功率LED价格昂贵也使不少人望而却步。

现在随着技术不断成熟和进步，大功率LED的光效越来越高，而价格越来越便宜，使其广泛应用逐步成为现实。

在今后的一段时期，LED技术的发展主要集中在以下几个方面：

1、LED的光效不断提高。

以美国为例，2002年为20lm/W，2007年可望达到75lm/W，2012年可望达到150lm/W。

日本也正在实施她的"

二十一世纪照明"

发展计划，计划到2010年LED的发光效率达到120lm/W；

2、LED特别是白光LED技术的不断成熟，LED将最终替代传统光源，成为通用照明领域内的主角；

3、与太阳能技术相结合，实现真正意义上的半导体照明。

三、前景

LED之所以受到广泛重视并得到迅速发展，是因为它本身具有诸如亮度高、工作电压低、功耗小、发光效率高、发光响应时间极短、光色纯、结构牢固、易于集成、驱动简单、寿命长、抗震动、耐冲击、耐低温且性能稳定重量轻，体积小等一系列特性。

归纳起来，LED的主要特点是省电、环保和长寿命，因此发展前景极为广阔。

虽说高亮度大功率的白光LED有很多优点，但同时，LED也存在以下几个瓶颈急需突破：

出光效率问题，发光功率问题，散热问题。

这些都制约着大功率高亮度LED性能的提高。

总的来讲，目前我国LED产业链各环节的产业化水平较低，仍以一般传统形式封装的中低档产品为主，在大功率LED封装领域的产业化技术研发尚处于起步阶段，竞争实力较弱；

大功率LED用外延片和芯片，目前也还处在研发阶段，离产业化水平相距甚远；

主要原材料、制造设备依靠进口；

外延、芯片现有一定规模，但产量远不能满足国内市场需求，高性能和大功率的芯片还是依靠进口；

LED应用产品，如显示屏、交通信号灯、景观装饰照明等有一定规模，LED灯具虽然开发了不少应用品种，但尚未形成产业化规模。

随着化合物半导体外延和芯片制作以及加工工艺技术逐步成熟和完善，LED正朝着两个方向发展：

一方面器件越做越小，己在大屏幕显示器件中占主导地位；

另一方面功率越做越大，正逐步朝特殊和普通照明方向发展。

当前LED技术的发展可以用一日千里来形容，根据飞利浦照明和朗讯实验室合资公司Lumis的首席技术执行官乔治.克拉福德的预测，到2007年底，价格比较公道、适合大规模投放市场、寿命更长、每瓦电能够释放75流明左右的白光LED灯就会被普遍应用。

虽然目前LED价格尚高，但是相信这一问题将会在不久的时间内解决。

由于LED的无与伦比的优点，相信LED照明时代已经向我们走近。

绿色高分子材料

高分子材料虽然具有比重轻、成型加工容易等许多优良特性而用途广泛但是高分子材料废弃物却带来三方面的严重问题。

（1）高分子材料废弃物绝大部分不能自然降解、水解和风化，会通过土壤富集于蔬菜、粮食及动物体，人食用后会直接影响人类健康。

（2）一般高分子材料废弃物在紫外线作用、液体溶解或燃烧时，排放出的有害气体及含油污泥、粉尘等，污染着河流和空气，威胁着人类的生存环境。

（3）制造高分子材料所用原材料的70%以上来源于石油，高分子材料废弃物意味着每年浪费石油。

除高分子废弃物污染环境以外，高分子材料加工过程中使用的各种增塑剂、抗氧剂等也会对人体和环境有一定危害。

为解决高分子材料的需求和环境健康及资源紧缺的矛盾；

为解决高分子材料的可持续发展问题，绿色高分子材料被越来越多的国家和科学工作者重视。

目前绿色高分子材料在材料学科领域的主要研究工作任务是：

如何合成无毒害或毒害小的绿色高分子材料；

合成工艺过程的环保；

现有高分子材料废弃物的无毒处理和循环利用。

具体做法是：

（1）改变聚合反应中传统的能量交换方式，合成中无毒副产物的产生或者有毒副产物无害化处理;

（2）采用高效无毒化的催化剂，提高催化效率，缩短聚合时间，降低反应所需的能量

（3）溶剂实现无毒化.可循环利用并降低在产品中的残留率

（4）改变聚合反应的工艺条件应对环境友好

（5）反应原料应选择自然界中含量丰富的物质，而巨对环境无害，避免使用自然中稀缺资源。