无铅材料的要求优化

无铅的定义尚没有国际统一标准。一般所认定的“无铅”，是指电子产品中铅的含量（质量分数）不超过0.1%。总体来讲，无铅封装是一个系统工程，它不仅包括无铅钎料，还包括相应的元件引脚及其覆层、印制电路板涂层等都要求无铅。并且由于现存大量昂贵的电子产品生产设备与制造工艺大都是和传统锡铅钎料相适应的，所以向无铅的转变必然会带来很多明显和潜在的各种问题。电子组装无铅化主要有以下两个解决办法：

（1）采用新型的无铅合金替代传统铅锡合金 要求该无铅合金基本上不改变现有的生产过程。这主要是为了在使用无铅合金的同时，使无铅生产工艺与现有的生产设备条件尽可能兼容，降低技术更新的成本。采用无铅合金替换含铅合金，来实现电子组装无铅化工艺主要涉及到以下三个方面：

1）无铅合金钎料。无铅合金钎料的开发基本上是围绕着Sn/Ag/Cu/In/Bi/Zn二元或者多元系合金展开。设计思路为：以Sn为主体金属，然后添加其他金属，使用多元合金，利用相图理论以及实验优化分析等手段，开发新型无铅合金和焊接工艺。美国国家制造科学研究中心（NCMS）经过三年多的信息研究和收集，推荐了79种具有低、中、高温不同用途的无铅钎料，适合于不同要求的SMT生产。目前市场上主流无铅钎料合金为Sn-3.5Ag-0.5Cu（217～219℃）、Sn-3.5Ag（221℃）和Sn-0.7Cu（227℃），其中前两者用于钎料膏和波峰焊，后者用于波峰焊。这些无铅合金体系的抗拉强度、屈服强度、断裂韧度、塑性以及弹性模量等力学性能指标接近甚至远超过Sn-37Pb，但不足之处在于除Sn-Bi外，大部分合金熔点都高于Sn-37Pb，比热容也相对增加了20%～30%，这就意味着回流温度和时间都需要增加，这对元器件、板卡、生产设备及制程都是一个考验。此外，它们的润湿性也大多不及Sn-Pb，从而带来新的焊接性问题。

2）元器件引脚镀层。元器件引脚的无铅镀层有很多种选择，包括：Sn、NiPd、NiPdAu、SnBi、SnCu、SnNi、NiAu以及SnAg等。Pd涂层与SnPb涂层的性能相当，某种程度上来说甚至更好，这主要是因为Pd比Au在高锡合金中的溶解速度要大的缘故，但是其电镀却存在一定的困难。AgPd镀层可能因为Ag向合金内部扩散而在焊点中形成空位，所以其正在被SnNi取代。纯Sn镀层具有晶须生长的倾向；SnBi为低熔点镀层，存在着脆性相和可靠性问题；SnAg的电镀相对来说比较困难；NiAu的工艺过程很难控制，其中存在银溶蚀和金属间化合物的问题；NiPd虽然有很长的应用历史，但是与无铅钎料以及过渡镀层的兼容性比较差，润湿性也较差，同时也存在氧化和金属间化合物的问题。目前比较倾向Ni-Pd-Au镀层，德州仪器公司（Texas Instruments）对此种镀层的元器件和钎料的焊点脆性相、兼容性、强度、润湿、机械热疲劳等进行了研究，结果表明，Ni-Pd-Au将成为元器件镀层的主流，只是还存在材料、工艺和可靠性方面很多不确定因素。(www.xing528.com)

3）PCB涂层。板卡的表面涂层可以保护PCB上的铜导体不受腐蚀与氧化，这对于焊接性能和可靠性是非常重要的。主要的传统方法是采用热风平整法（HASL）将SnPb材料施加到PCB焊盘上，或者是采用化学镀保护金属涂层和施用有机钎料保护剂。由于无铅化的需要，因此PCB镀层必须相应地发生改变。

（2）采用导电胶互连技术替代合金互连技术 期望各向同性的导电胶可在现有的生产条件下像钎料膏一样作为互连材料，并且可以在较低温度下发生固化，还可以应用于更细间距的印刷。