過去5年間，電子裝配業(yè)一直在測試各種合金，希望能找到幾種無鉛方案替代常規(guī)63Sn/37Pb共晶系統(tǒng)。有很多方案雖然從技術(shù)的角度來看是可行的，但卻沒考慮成本、供貨性和工藝性等其它方面的因素。本文旨在為業(yè)界提供一個實際可行的無鉛工藝選用原則，內(nèi)容包括工藝要求、根據(jù)要求得出的結(jié)論以及在實際條件下的試用情況等，今后如需對其他更為復(fù)雜的系統(tǒng)進行判斷比較，這里提供的方法也可作為評估參考。

PCB裝配對無鉛焊料的基本要求

無鉛焊接裝配的基本工藝包括：
a. 無鉛PCB制造工藝；
b. 在焊錫膏中應(yīng)用的96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系統(tǒng)；
c. 用于波峰焊應(yīng)用的99.3Sn/0.7Cu共晶合金系統(tǒng)；
d. 用于手工焊接的99.3Sn/0.7Cu合金系統(tǒng)。盡管這些都是可行工藝，但具體實施起來還存在幾個大問題，如原料成本仍然高于標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb工藝、對濕潤度的限制有所增加、要求在波峰焊工藝中保持惰性空氣狀態(tài)(要有足量氮氣)以及可能將回流焊溫度升到極限溫度范圍(235～245℃之間)而提高了對各種元件的熱性要求等等。

就無鉛替代物而言，現(xiàn)在并沒有一套獲得普遍認(rèn)可的規(guī)范，下面是一些技術(shù)和應(yīng)用要求參考：

金屬價格
 
許多裝配廠商都要求無鉛合金的價格不能高于63Sn/37Pb，但不幸的是現(xiàn)有的所有無鉛替代物成本都比63Sn/37Pb高出至少35%以上。在選擇無鉛焊條和焊錫絲時，金屬成本是其中最重要的因素；而在制作焊錫膏時，由于技術(shù)成本在總體制造成本中所占比例相對較高，所以對金屬的價格還不那么敏感。
　
熔點
 
大多數(shù)裝配廠家(不是所有)都要求固相溫度最小為150℃，以便滿足電子設(shè)備的工作溫度要求,最高液相溫度則視具體應(yīng)用而定。

波峰焊用焊條：為了成功實施波峰焊，液相溫度應(yīng)低于爐溫260℃。

手工/機器焊接用焊錫絲：液相溫度應(yīng)低于烙鐵頭工作溫度345℃。

焊錫膏：液相溫度應(yīng)低于回流焊溫度250℃。對現(xiàn)有許多回流焊爐而言，該溫度是實用溫度的極限值。許多工程師要求最高回流焊溫度應(yīng)低于225～230℃，然而現(xiàn)在沒有一種可行的方案來滿足這種要求。人們普遍認(rèn)為合金回流焊溫度越接近220℃效果越好，能避免出現(xiàn)較高回流焊溫度是最理想不過的，因為這樣能使元件的受損程度降到最低，最大限度減小對特殊元件的要求，同時還能將電路板變色和發(fā)生翹曲的程度降到最低，并避免焊盤和導(dǎo)線過度氧化。 導(dǎo)電性好 這是電子連接的基本要求。

導(dǎo)熱性好

為了能散發(fā)熱能，合金必須具備快速傳熱能力。

較小固液共存溫度范圍

非共晶合金會在介于液相溫度和固相溫度之間的某一溫度范圍內(nèi)凝固，大多數(shù)冶金專家建議將此溫度范圍控制在10℃以內(nèi)，以便形成良好的焊點，減少缺陷。如果合金凝固溫度范圍較寬，則有可能會發(fā)生焊點開裂，使設(shè)備過早損壞。

低毒性

合金及其成分必須無毒，所以此項要求將鎘、鉈和汞排除在考慮范圍之外；有些人也要求不能采用有毒物質(zhì)所提煉的副產(chǎn)品，因而又將鉍排除在外，因為鉍主要來源于鉛提煉的副產(chǎn)品。

具有良好的可焊性 在現(xiàn)有設(shè)備和免清洗型助焊劑條件下該合金應(yīng)具備充分的潤濕度，能夠與常規(guī)免清洗焊劑一起使用。由于對波峰進行惰性處理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性環(huán)境的使用條件要求；但就SMT回流焊而言，合金最好要具備在空氣下進行回流焊的能力，因為對回流焊爐進行惰性處理成本較高。
　
良好的物理特性(強度、拉伸度、疲勞度等) 合金必須能夠提供63Sn/37Pb所能達到的機械強度和可靠性，而且不會在通孔器件上出現(xiàn)突起的角焊縫(特別是對固液共存溫度范圍較大的合金)。

生產(chǎn)可重復(fù)性/熔點一致性

電子裝配工藝是一種大批量制造工藝，要求其重復(fù)性和一致性都保持較高的水平，如果某些合金的成分不能在大批量條件下重復(fù)制造，或者其熔點在批量生產(chǎn)時由于成分變化而發(fā)生較大變化，便不能給予考慮。3種以上成分構(gòu)成的合金往往會發(fā)生分離或成分變化，使得熔點不能保持穩(wěn)定，合金的復(fù)雜程度越高，其發(fā)生變化的可能性就越大。
 
焊點外觀

焊點的外觀應(yīng)與錫/鉛焊料接近，雖然這并非技術(shù)性要求，但卻是接受和實施替代方案的實際需要。

供貨能力

當(dāng)試圖為業(yè)界找出某種解決方案時，一定要考慮材料是否有充足的供貨能力。從技術(shù)的角度而言，銦是一種相當(dāng)特別的材料，但是如果考慮全球范圍內(nèi)銦的供貨能力，人們很快就會將它徹底排除在考慮范圍之外。

另外業(yè)界可能更青睞標(biāo)準(zhǔn)合金系統(tǒng)而不愿選專用系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)合金的獲取渠道比較寬，這樣價格會比較有競爭性，而專用合金的供應(yīng)渠道則可能受到限制，因此材料價格會大幅提高。

與鉛的兼容性

由于短期之內(nèi)不會立刻全面轉(zhuǎn)型為無鉛系統(tǒng)，所以鉛可能仍會用在某些元件的端子或印刷電路板焊盤上。有些含鉛合金熔點非常低，會降低連接的強度，如某種鉍/錫/鉛合金的熔點只有96℃，使得焊接強度大為降低。

金屬及合金選擇

在各種候選無鉛合金中，錫(Sn)都被用作基底金屬，因為它成本很低，貨源充足，并具備理想的物理特性，如導(dǎo)電/導(dǎo)熱性和潤濕性，同時它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。通常與錫配合使用的其它金屬包括銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)。

之所以選擇這些材料是因為它們與錫組成合金時一般會降低熔點，得到理想的機械、電氣和熱性能。表1列出了各種金屬的成本、密度、年生產(chǎn)能力和供貨方面的情況，另外在考察材料的供貨能力時，將用量因素加在一起作綜合考慮得出的結(jié)果會更加清晰，例如現(xiàn)在電子業(yè)界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5萬噸左右，其中北美地區(qū)用量約為1.6萬噸，此時只要北美有3%的裝配工廠采用含銦20%的錫/銦無鉛合金，其銦消耗量就將超過該金屬的全球生產(chǎn)能力。

近5年來業(yè)界推出了一系列合金成分建議，并且對這些無鉛替代方案進行了評估。備選方案總數(shù)超過75個，但是主要方案則可以歸納為不到15個。面對所有候選合金，我們采用一些技術(shù)規(guī)范將選擇縮到一個較小的范圍內(nèi)便于進行挑選。

銦：銦可能是降低錫合金熔點的最有效成分，同時它還具有非常良好的物理和潤濕性質(zhì)，但是銦非常稀有，因此大規(guī)模應(yīng)用太過昂貴。基于這些原因，含銦合金將被排除在進一步考慮范圍之外。雖然銦合金可能在某些特定場合是一個比較好的選擇，但就整個業(yè)界范圍而言則不太合適，另外差分掃描熱量測定也顯示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點很低，只有114℃，所以也不太適合某些應(yīng)用。

鋅：鋅非常便宜，幾乎與鉛的價格相同，并且隨時可以得到，同時它在降低錫合金的熔點方面也具有非常高的效率。就鋅而言，其主要缺點在于它會與氧氣迅速發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的氧化物，在波峰焊過程中，這種反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生大量錫渣，而更嚴(yán)重的是所形成的穩(wěn)定氧化物將導(dǎo)致潤濕性變得非常差。也許通過惰性化或特種焊劑配方可以克服這些技術(shù)障礙，但現(xiàn)在人們要求在更大的工藝范圍內(nèi)對含鋅方案進行論證，因此鋅合金在今后考慮過程中也會被排除在外。

鉍：鉍在降低錫合金固相溫度方面作用比較明顯，但對液相溫度卻沒有這樣的效果，因此可能會造成較大的固液共存溫度范圍，而凝固溫度范圍太大將導(dǎo)致焊腳提升。鉍具有非常好的潤濕性質(zhì)和較好的物理性質(zhì)，但鉍的主要問題是錫/鉍合金遇到鉛以后其形成的合金熔點會比較低，而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會有鉛存在，錫/鉛/鉍的熔點只有96℃，很容易造成焊點斷裂。另外鉍的供貨能力可能會因鉛產(chǎn)量受到限制而下降，因為現(xiàn)在鉍主要還是從鉛的副產(chǎn)品中提煉出來，如果限制使用鉛，則鉍的產(chǎn)量將會大大減少。盡管我們也能通過直接開采獲取鉍，但這樣成本會比較高。基于這些原因，鉍合金也被排除在外。

四種和五種成分合金

由四種或五種金屬構(gòu)成的合金為我們提供了一系列合金成分組合形式，各種可能性不勝枚舉。與雙金屬合金系統(tǒng)相比，大多數(shù)四或五金屬合金可以大幅降低固相溫度，但對降低液相溫度卻可能無所作為，因為大部分四或五金屬合金都不是共晶材料，這意味著在不同的溫度下會形成不同的金相形式，其結(jié)果就是回流焊溫度不可能比簡單雙金屬系統(tǒng)所需的低。

另外一個問題是合金成分時常會發(fā)生變動，因此熔點也會變，這在四或五金屬合金中會經(jīng)常遇到。由三種金屬組成的合金很難在焊錫膏內(nèi)的錫粉中實現(xiàn)“同批”和“逐批”一致，在四種和五種金屬組成的合金中實現(xiàn)同樣的一致性其復(fù)雜和困難程度更大。

所以多元合金將被排除在進一步考慮范圍之外，除非某種多元合金成分具有比二元系統(tǒng)更好的特性。但就目前來看，業(yè)界還沒有找到哪種四或五金屬合金比二元或三元替代方案更好(無論在成本上還是性能上)。

列出一些主要無鉛替代方案，以及最終選用或不選用的原因，表中包括了單位重量價格、單位體積價格(對焊錫膏而言單位體積價格更具成本意義)以及熔點等信息，這些合金按照其液相溫度遞增順序排列�，F(xiàn)根據(jù)每種焊接應(yīng)用的特殊要求分別選出合適的合金。

先考慮焊條(波峰焊)和焊線(手工和機器焊接)。

對波峰焊用焊條的要求包括：
a. 能在最高260℃錫爐溫度下進行連續(xù)焊接；
b. 焊接缺陷(漏焊、橋接等)少；
c. 成本盡可能低；
d. 不會產(chǎn)生過多焊渣。

結(jié)果所有選中的合金都符合波峰焊要求，但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金與其它替代方案相比能夠節(jié)省更多成本。比較而言，99.3Sn/0.7Cu的液相溫度比Sn/Sb合金低13℃，因此99.3Sn/0.7Cu成為波峰焊最佳候選方案。

手工焊用錫線的要求與上面焊條應(yīng)用非常相似，成本考慮仍然居于優(yōu)先地位，同時也要求能夠提供較好的潤濕和焊接能力。焊線用合金必須能夠很容易地拉成絲線，而且能用345～370℃的烙鐵頭進行焊接，99.3Sn/0.7Cu合金可以滿足這些要求。

與焊條和焊線相比，焊錫膏較少考慮合金成本，因為金屬成本在使用焊錫膏的制造流程總成本中所占比重較少，選擇焊錫膏合金的主要要求是盡量降低回流焊溫度�？疾毂碇兴泻辖�，可以發(fā)現(xiàn)液相溫度最低的是95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu(熔點217～218℃)和96.5Sn/3.5Ag(熔點221℃)。

這兩種合金都是較為合適的選擇并各具特點，相比之下Sn/Ag/Cu合金的液相溫度更低(雖然只有4℃)，而Sn/Ag合金則表現(xiàn)出更強的一致性和可重復(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。有些主要跨國公司已經(jīng)選擇共晶Sn/Ag合金進行評估作為無鉛替代方案，大多數(shù)大型跨國公司也開始對Sn/Ag/Cu合金作初步高級測試。