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    國內無鉛焊料技術發展概述

    無鉛化已成為電子制造錫焊技術不可逆轉的潮流。2005年起,國內無鉛化進程進入了實施階段。

      選擇適當無鉛焊料很重要

      電子工業用60/40、63/37焊料已有50多年的歷史,已形成非常成熟的工藝,因此要取代有鉛焊料必須滿足一些充分而必要的條件。

      首先從電子焊接工藝的要求出發,為了不破壞元器件的基本特性,所用無鉛焊料熔點必須接近錫鉛共晶焊料的熔點,不可以使用熔點高的焊料。其次從可焊性的觀點出發,必須與電子元件及印制板的鍍層銅、鎳、銀等有良好的潤濕。從電子產品的可靠性出發,為了形成良好的冶金結合的焊點,焊料本身的機械強度是非常重要的。特別要求焊點具有耐熱疲勞性能,這是由于電子產品在使用過程中不可避免會產生發熱現象而產生熱膨脹,同時在不使用時溫度下降會產生收縮,如此反復循環將在焊點處發生熱疲勞現象。

      從焊接的實際操作來看,希望焊接缺陷少是非常重要的。特別是橋接、拉尖等不良缺陷均和焊料的潤濕性有密切關系。在再流焊接時,由于母材表面氧化,為了提高焊劑的去氧化作用,必須使用有活性的助焊劑予以去除,但是這樣將產生殘留物而出現腐蝕和電遷移等現象。同時,在流動焊時,由于波峰焊產生的氧化錫渣也是一個問題,不僅造成焊點不良率上升,同時也增加成本。此外焊膏的保存性是進行良好印刷的必要條件。由于在存放期間焊膏內的助焊劑與合金發生反應而劣化,造成粘度升高,印刷不良等。以上均是無鉛焊料必須考慮的問題。

            從這些觀點出發來選擇適當的無鉛焊料是非常重要的。錫銀銅等成為當前實用的主流無鉛焊料。

      無鉛焊料技術水平明顯提高

      近年來比較實用的無鉛標準合金大致以錫銀銅為基礎已成為共識,然而由于該合金熔點仍偏高,即使元器件的耐熱性有所提高,但多層、薄形的印制板耐熱性仍存在問題,因此在錫銀合金基礎上添加鉍、銦以降低熔點以及開發錫鋅系無鉛化焊料將成為今后發展方向。

      錫銀銅無鉛焊料有比較好的機械特性,具有錫鉛焊料的1.5-2.0倍的抗張強度和非常優秀的抗熱疲勞性能,但另一方面對銅的潤濕性差,從擴散率來看,錫鉛焊料擴散率超過90%,而錫銀銅焊料在80%左右,錫鋅焊料在大氣下擴散率非常差。但是由于技術不斷進步,目前錫銀銅無鉛焊膏的潤濕性已取得了明顯提高,幾乎達到錫鉛焊膏的水平。

      無鉛焊接工藝迎接挑戰

      再流焊工藝技術,從錫鉛焊料到錫銀銅焊料,在實際操作時將發生很大的變化。

      首先,目前操作溫度的上升與元器件的耐熱溫度的差距大幅減少,因此必須較以往有更正確的工藝溫度管理。此外,由于印制板的多樣化,熱容量不同的元器件均會有10℃的溫差,因此必須提高預熱溫度和時間。再流焊設備必須進行多溫區加熱以減少溫度誤差,成為一項有效的措施。由于熔點的上升,焊接工藝和設備都將發生重大的變化,為此實行錫銀銅焊料的無鉛化,降低其熔點將成為一個被關注的問題。

      其次,一般認為錫銀銅比錫鉛潤濕性低,其擴散率在75%-80%,比錫鉛下降15%左右。為了提高可焊性在助焊劑中增加活性劑是必要的,但會造成粘度升高等不良現象。另外由于無鉛焊料表面張力比有鉛焊料高,在同樣條件下潤濕性也會變差。

      第三,由于無鉛焊料的熔點高,因此必須考慮峰值溫度與元器件的耐熱溫度的適應性,因此預熱終點溫度要高,使有熱容量差異的元器件溫度能達到均勻。此外由于元器件與母材的氧化,焊膏活性的損失容易產生焊球,當用錫鉛焊膏的助焊劑用于錫銀銅焊膏時,必須提高預熱溫度和預熱時間。

      第四,印刷工藝過程中,由于焊膏內助焊劑與粉末的反應,在粉末表面有有機金屬化合物與有機金屬鹽析出,造成流動性下降,粘度升高,給印刷性能帶來影響,成為焊接不良的原因。

      綜上所述,無鉛焊接理論與實踐均屬于錫焊技術的領域,僅是有鉛轉向無鉛的過程,目前無鉛焊料的標準體系,錫銀銅已成為共識,但其熔點仍偏高,對錫銀鉍銦以及錫鉍、錫鋅焊料將成為人們關注的熱點和方向。

      由于無鉛焊接液相溫度與峰值溫度溫差范圍較有鉛溫差范圍小,因此溫度管理成為無鉛焊接中的重要內容。另外,由于無鉛焊料熔點較高,將對元器件、印制板特性帶來更高的要求。

      無鉛化是一個長期的過程,目前仍處于與有鉛共存時期,這期間對鉛污染的問題是一個較難解決的問題。由于無鉛與有鉛的共存而產生的焊點剝離問題是無鉛化過程中的最大難點。

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