無(wú)鉛知識(shí)與工藝指導(dǎo)

無(wú)鉛知識(shí)與工藝指導(dǎo)

??????? 無(wú)鉛知識(shí)與工藝
??????? 一、鉛的危害及實(shí)施無(wú)鉛化的必要性與可行性
??????? 二、無(wú)鉛焊料發(fā)展進(jìn)程
??????? 三、軟釬焊行業(yè)對(duì)無(wú)鉛焊料的要求
??????? 四、無(wú)鉛化進(jìn)程中所涉及的相關(guān)行業(yè)及其協(xié)作關(guān)系
??????? 1、電子制造業(yè)廠商
??????? 2、電子元器件廠商
??????? 3、線路板制造廠商
??????? 4、焊料生產(chǎn)廠商
??????? 5、焊用設(shè)備制造商
??????? 6、無(wú)鉛焊料的專業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)
??????? 五、目前所開發(fā)的無(wú)鉛焊料種類及其品質(zhì)、成本之評(píng)估
??????? 1、無(wú)鉛焊料研發(fā)現(xiàn)狀
??????? 2、無(wú)鉛焊料的種類及特性
??????? 3、無(wú)鉛焊料的成本評(píng)估
??????? 六、無(wú)鉛焊料的推廣應(yīng)用過(guò)程中所需解決或應(yīng)注意的相關(guān)問題
??????? 1、無(wú)鉛錫絲的使用
??????? 七、建議電子行業(yè)無(wú)鉛化的導(dǎo)入制程
　
??????? 內(nèi) 容?

??????? 一、鉛的危害及實(shí)施無(wú)鉛化的必要性與可行性
??????? 在焊料的發(fā)展過(guò)程中，錫鉛合金一直是最優(yōu)質(zhì)的、廉價(jià)的焊接材料，無(wú)論是焊接質(zhì)量還是焊后的可靠性都能夠達(dá)到使用要求；但是，隨著人類環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，“鉛”及其化合物對(duì)人體的危害及對(duì)環(huán)境的污染，越來(lái)越被人類所重視?！　　?
??????? 美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)將鉛及其化合物定性為17種嚴(yán)重危害人類壽命與自然環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)之一，鉛右通過(guò)滲入地下水系統(tǒng)而進(jìn)入動(dòng)物或人類的食物鏈；在日常工作中，人體可通過(guò)皮膚吸收、呼吸、進(jìn)食等吸收鉛或其化合物，當(dāng)這些物質(zhì)在人體內(nèi)達(dá)到一定量時(shí)，會(huì)影響體內(nèi)蛋白質(zhì)的正常合成，破壞中樞神經(jīng)，造成神經(jīng)和再生系統(tǒng)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(nèi)它還有不可排泄、并且會(huì)逐漸積累的問題。美國(guó)職業(yè)安全與健康管理署(OSHA)標(biāo)準(zhǔn)：成人血液中鉛含量應(yīng)低于50mg/dl，兒童血液中鉛含量應(yīng)低于30mg/dl。
??????? 中國(guó)已加入WTO，中國(guó)市場(chǎng)已經(jīng)逐步與國(guó)際市場(chǎng)接軌；為了提高自身產(chǎn)品的適應(yīng)能力，及出口時(shí)避免上述不必要的麻煩，國(guó)內(nèi)廠商應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品無(wú)鉛化的意識(shí)，盡快地適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)的要求，不要走在別人的后面，否則產(chǎn)品將失去一定的競(jìng)爭(zhēng)力，在日趨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于下風(fēng)；在我國(guó)沿海開放地區(qū)的外資廠居多，其中上規(guī)模的國(guó)際大公司也不少，這些外資公司已經(jīng)注意到了無(wú)鉛化的必要性，有些公司已將無(wú)鉛化提入公司改進(jìn)日程。
??????? 綠色環(huán)保產(chǎn)品是新世紀(jì)的主流，但是無(wú)鉛化是否可行呢？這個(gè)問題要從技術(shù)、成本以及無(wú)鉛焊料與目前軟釬焊設(shè)備的兼容性等多個(gè)角度去解答。首先從技術(shù)上來(lái)講，無(wú)鉛化已得到了多個(gè)國(guó)家的重視，好多國(guó)家設(shè)有無(wú)鉛焊料研發(fā)的專門機(jī)構(gòu)，這些研發(fā)機(jī)構(gòu)以及焊料生產(chǎn)廠商，都已經(jīng)研發(fā)出多種無(wú)鉛焊料，且有相當(dāng)一部分被實(shí)驗(yàn)證明是可以替代錫鉛焊料的產(chǎn)品，（具體的無(wú)鉛焊料種類及其特性本文第五要點(diǎn)有詳細(xì)介紹）；從成本角度考慮，目前所開發(fā)出的無(wú)鉛焊料成本一般的在錫鉛合金價(jià)格的2~3倍左右，據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，所用焊料的費(fèi)用不超過(guò)產(chǎn)品總成本的0.1%左右，所以不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的總體成本造成太大的影響；就設(shè)備而言，目前也有適應(yīng)無(wú)鉛焊料的波峰焊及再流焊設(shè)備出廠，但是，眾多無(wú)鉛焊料研發(fā)機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)商仍在不斷努力改進(jìn)無(wú)鉛焊料本身的質(zhì)量參數(shù)，以適應(yīng)客戶目前的現(xiàn)有設(shè)備。
??????? 二、無(wú)鉛焊料發(fā)展進(jìn)程
??????? 1991和1993年：美國(guó)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(guó)工業(yè)界強(qiáng)烈反對(duì)而夭折；
??????? 1991年起NEMI, NCMS, NIST, DIT, NPL, PCIF, ITRI, JIEP等組織相繼開展無(wú)鉛焊料的專題研究，耗資超過(guò) 2000萬(wàn)美元，目前仍在繼續(xù)；
??????? 1998年日本修訂家用電子產(chǎn)品再生法，驅(qū)使企業(yè)界開發(fā)無(wú)鉛電子產(chǎn)品；
??????? 1998年10月日本松夏公司第一款批量生產(chǎn)的無(wú)鉛電子產(chǎn)品問世；
??????? 2000年6月：美國(guó)IPC Lead-Free Roadmap 第4版發(fā)表，建議美國(guó)企業(yè)界于2001年推出無(wú)鉛化電子產(chǎn)品，2004年實(shí)現(xiàn)全面無(wú)鉛化；
??????? 2000年8月：日本 JEITA Lead-Free Roadmap 1.3 版發(fā)表，建議日本企業(yè)界于2003年實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)鉛電子組裝；
??????? 2002年1月歐盟 Lead-Free Roadmap1.0 版發(fā)表，根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果向業(yè)界提供關(guān)于無(wú)鉛化的重要統(tǒng)計(jì)資料；
??????? 歐盟議會(huì)和歐盟理事會(huì)2003年1月23日發(fā)布了第2002/95/EC號(hào)《關(guān)于在電氣電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)的指令》，在這個(gè)指令中，歐盟明確規(guī)定了六種有害物質(zhì)為：“汞（Hg）、鎘（Cd）、六價(jià)鉻（Cr）、鉛（Pb）、聚溴聯(lián)苯（PBB）、聚溴二苯醚（PBDE）”；并強(qiáng)制要求自2006年7月1日起，在歐洲市場(chǎng)上銷售的電子產(chǎn)品必須為無(wú)鉛的電子產(chǎn)品；（個(gè)別類型電子產(chǎn)品暫時(shí)除外）
??????? 2003年3月，中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部擬定《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法》，提議自2006年7月1日起投放市場(chǎng)的國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)管目錄內(nèi)的電子信息產(chǎn)品不能含有Pb。
??????? 三、焊接行業(yè)對(duì)無(wú)鉛焊料的要求
??????? 無(wú)鉛焊料首先要能夠真正滿足環(huán)保要求，不能把鉛去除了，又添加了新的有毒或有害的物質(zhì)；要確保無(wú)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(lái)講，無(wú)鉛焊料應(yīng)盡量滿足以下這些要求：
??????? 1、無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)要低，盡可能地接近63/37錫鉛合金的共晶溫度1830C，如果新產(chǎn)品的共晶溫度只高出1830C幾度應(yīng)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(wú)鉛焊料；另外，在開發(fā)出有較低共晶溫度的無(wú)鉛焊料以前，應(yīng)盡量把無(wú)鉛焊料的熔融間隔溫差降下來(lái)，即盡量減小其固相線與液相線之間的溫度區(qū)間，固相線溫度最小為1500C，液相線溫度視具體應(yīng)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(yīng)該低于225~2300C)。
??????? 2、無(wú)鉛焊料要有良好的潤(rùn)濕性；一般情況下，再流焊時(shí)焊料在液相線以上停留的時(shí)間為30~90秒，波峰焊時(shí)被焊接組件管腳及線路板基板面與錫液波峰接觸的時(shí)間為4秒左右，使用無(wú)鉛焊料以后，要保證在以上時(shí)間范圍內(nèi)焊料能表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性能，以保證優(yōu)質(zhì)的焊接效果；
??????? 3、焊接后的導(dǎo)電及導(dǎo)熱率都要與63/37錫鉛合金焊料相接近；
??????? 4、焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)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(jià)位；
??????? 6、所開發(fā)的無(wú)鉛焊料在使用過(guò)程中，與線路板的銅基、或線路板所鍍的無(wú)鉛焊料、以及元器件管腳或其表面的無(wú)鉛焊料及其它金屬鍍層間，有良好的釬合性能；
??????? 7、新開發(fā)的無(wú)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(qiáng)；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(fā)展趨勢(shì)；
??????? 8、焊接后對(duì)焊點(diǎn)的檢驗(yàn)、返修要容易；
??????? 9、所選用原材料能夠滿足長(zhǎng)期的充分供應(yīng)；
??????? 10、與目前所用的設(shè)備工藝相兼容，在不更換設(shè)備的狀況下可以工作。
??????? 四、略
??????? 五、目前所開發(fā)的無(wú)鉛焊料種類及其品質(zhì)、成本之評(píng)估
??????? 1、無(wú)鉛焊料研發(fā)現(xiàn)狀：
??????? 美國(guó)國(guó)家生產(chǎn)科學(xué)研究所(NCMS)通過(guò)篩選得到了7種無(wú)鉛焊料并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)用性和可靠性二次評(píng)審，最后推薦了三種合金供選擇。（見表一）
表一：美國(guó)用于表面安裝推薦的三種無(wú)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(yè)振興協(xié)會(huì)（JEITA）組織評(píng)定了無(wú)鉛焊料。表二為JEIDA組織評(píng)定的過(guò)渡期可用的合金。
??????? 表二:JEIDA組織評(píng)定的可用的合金
項(xiàng)目?jī)?nèi)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
??????????????????????????????? n-3.5Ag-6Bi??????????????????????????? R
Sn-Bi?????????????????????? Sn-1Ag-57Bi?????????????????????????? R
??????? 2、無(wú)鉛焊料的種類及特性
??????? 從各國(guó)相關(guān)組織推薦的各種無(wú)鉛焊料及各大公司試用的狀況總結(jié)，目前過(guò)渡期無(wú)鉛焊料可分為下述4類，見下表：
種類??????? 共晶比?????????? 共晶點(diǎn)(0C)???? 特　 點(diǎn)?????????????????? 缺 點(diǎn)???????????????????????????????? 優(yōu) 點(diǎn)
Sn-Ag???? Sn-3.5Ag???? 221?????????????????? 中高溫系,延展性/潤(rùn)溫性比Sn-Pb差???????????? 較強(qiáng)的一致性和可重復(fù)制造性,并已在電子業(yè)界應(yīng)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(qiáng)度延展性比Sn-Pb差??????????????????????????? 成本低/可應(yīng)用于波峰焊/手工焊
Sn-Bi??????? Sn-58Bi??????? 138?????????????????? Bi資源有限,熔點(diǎn)太低,機(jī)械強(qiáng)度較差,易虛焊 熔點(diǎn)低,抗熱疲勞性好
Sn-Zn?????? Sn-9Zn??????? 199?????????????????? 易氧化/易腐蝕/潤(rùn)濕性很差??????????????????????????? 機(jī)械性能較好,較接近Sn-37Pb，中溫系

??????? 3、無(wú)鉛焊料的成本評(píng)估：
??????? 合金成份（%）??????????????????????????????? 成本比較倍數(shù)
??????? Sn-37Pb（標(biāo)準(zhǔn)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(wú)鉛焊料的推廣應(yīng)用過(guò)程中所需解決或應(yīng)注意的相關(guān)問題
??????? 1、無(wú)鉛錫絲的使用：
??????? ①、注意烙鐵功率的選擇，無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)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(dāng)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(diǎn)的感觀上，不能按以往錫鉛合金的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判，通常的無(wú)鉛焊料焊點(diǎn)不如錫鉛合金焊點(diǎn)平滑、光亮，但只要能保證焊點(diǎn)的完全焊接及其檢測(cè)時(shí)的可靠性，應(yīng)屬可接受范圍。
??????? 七、建議電子行業(yè)無(wú)鉛化的導(dǎo)入制程
??????? 根據(jù)企業(yè)實(shí)際狀況，首先應(yīng)抽調(diào)工程、品管、生技等部門相關(guān)人員，成立無(wú)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(yè)的無(wú)鉛焊料導(dǎo)入計(jì)劃，以及完成該計(jì)劃中每一個(gè)小節(jié)的具體時(shí)間，并發(fā)放各相關(guān)職能部門，要求企業(yè)內(nèi)各部門按計(jì)劃分配工作，并予以執(zhí)行。
??????? 相關(guān)推廣工作及導(dǎo)入計(jì)劃內(nèi)容有以下幾點(diǎn)可供參考：
??????? 1、對(duì)相關(guān)無(wú)鉛焊料的各種資料進(jìn)行書面論證：
??????? ①、無(wú)鉛焊料之起源：
??????? ②、無(wú)鉛焊料之推動(dòng)力：
??????? ③、無(wú)鉛焊料之市場(chǎng)導(dǎo)向：
????? （①至③可參考本文第一點(diǎn)相關(guān)論述）
??????? ④、無(wú)鉛焊料之性能：
??????? ⑤、無(wú)鉛焊料成份之選用：
??????? ⑥、無(wú)鉛焊料品質(zhì)之評(píng)估：
??????? ⑦、無(wú)鉛焊料成本之評(píng)估：
??????? ⑧、與無(wú)鉛焊料相匹配之助焊劑性能：
????? （④至⑧可參考本文第五、六點(diǎn)相關(guān)論述；以上①至⑧也要求焊料供貨商協(xié)助提供相關(guān)支持；）
??????? 2、協(xié)調(diào)、選擇無(wú)鉛焊料供貨商對(duì)具體無(wú)鉛焊料產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估；
?????? （可要求無(wú)鉛焊料生產(chǎn)廠商提供其產(chǎn)品配比或所含金屬元素成分、焊料性能、適用的溫度區(qū)線、對(duì)焊接設(shè)備的要求等方面相關(guān)資料）
??????? 3、協(xié)調(diào)各電子元器件生產(chǎn)商對(duì)電子元器件在無(wú)鉛化進(jìn)程中的適用性，及其性能論證；
?????? （此點(diǎn)應(yīng)包括元器件管腳鍍層之無(wú)鉛成份及元器件所能承受熱沖擊能力進(jìn)行評(píng)估）
??????? 4、對(duì)線路板生產(chǎn)商進(jìn)行線路板無(wú)鉛化評(píng)估；
?????? （此點(diǎn)包括線路板自身的無(wú)鉛化評(píng)估，及線路板所能承受之熱沖擊能力評(píng)估）
??????? 5、對(duì)企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行評(píng)估；
?????? （可參照本文第六點(diǎn)相關(guān)論述，或請(qǐng)求設(shè)備供貨商予以支持）
??????? 6、對(duì)引入無(wú)鉛焊料后生產(chǎn)工藝之調(diào)整，以及生產(chǎn)工藝調(diào)整后對(duì)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等各方面所帶來(lái)的影響進(jìn)行評(píng)估；
?????? （相關(guān)參數(shù)之調(diào)整可參照本文第五點(diǎn)及第六點(diǎn)相關(guān)論述）
??????? 7、對(duì)無(wú)鉛化導(dǎo)入計(jì)劃中所涉及到各部門，要求他們作出相應(yīng)工作計(jì)劃書；
??????? 8、在確定以上程序基本完成，并有理論、技術(shù)支持后，可在工程或技術(shù)部門內(nèi)部做無(wú)鉛焊料的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；
??????? 9、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，對(duì)不足或存在明顯缺陷部分進(jìn)行改進(jìn)，或協(xié)調(diào)相關(guān)供貨商尋求技術(shù)支持；
??????? 10、將無(wú)鉛焊料安排到生產(chǎn)線進(jìn)行試用、或?qū)Σ糠之a(chǎn)品進(jìn)行無(wú)鉛化實(shí)驗(yàn)；
??????? 11、在所有評(píng)估、實(shí)驗(yàn)完成以后，進(jìn)行最終的無(wú)鉛化導(dǎo)入程序進(jìn)行總結(jié)；并編制無(wú)鉛焊料使用工藝及各相關(guān)工位工作指導(dǎo)書。
??????? 無(wú)鉛手工焊接成本
??????? 成本項(xiàng)目：
??????? 1.元件成本：元器件全部需符合無(wú)鉛標(biāo)準(zhǔn)；
??????? 2.焊錫成本：無(wú)鉛焊錫價(jià)格為有鉛焊錫3倍以上；
??????? 3.焊臺(tái)成本：無(wú)鉛專用焊臺(tái)價(jià)格為普通焊臺(tái)2-10倍以上，不過(guò)為一次性投入；　
??????? 4.耗材成本：無(wú)鉛用烙鐵頭消耗快，且價(jià)位為有鉛烙鐵頭3-5倍以上；
??????? 5.人力資源成本：培訓(xùn)