無鉛知識(shí)與工藝指導(dǎo)

??????? 無鉛知識(shí)與工藝
??????? 一、鉛的危害及實(shí)施無鉛化的必要性與可行性
??????? 二、無鉛焊料發(fā)展進(jìn)程
??????? 三、軟釬焊行業(yè)對(duì)無鉛焊料的要求
??????? 四、無鉛化進(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、無鉛焊料的專業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)
??????? 五、目前所開發(fā)的無鉛焊料種類及其品質(zhì)、成本之評(píng)估
??????? 1、無鉛焊料研發(fā)現(xiàn)狀
??????? 2、無鉛焊料的種類及特性
??????? 3、無鉛焊料的成本評(píng)估
??????? 六、無鉛焊料的推廣應(yīng)用過程中所需解決或應(yīng)注意的相關(guān)問題
??????? 1、無鉛錫絲的使用
??????? 七、建議電子行業(yè)無鉛化的導(dǎo)入制程
　
??????? 內(nèi) 容?

??????? 一、鉛的危害及實(shí)施無鉛化的必要性與可行性
??????? 在焊料的發(fā)展過程中，錫鉛合金一直是最優(yōu)質(zhì)的、廉價(jià)的焊接材料，無論是焊接質(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)注意到了無鉛化的必要性，有些公司已將無鉛化提入公司改進(jìn)日程。
??????? 綠色環(huán)保產(chǎn)品是新世紀(jì)的主流，但是無鉛化是否可行呢？這個(gè)問題要從技術(shù)、成本以及無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)上來講，無鉛化已得到了多個(gè)國(guó)家的重視，好多國(guó)家設(shè)有無鉛焊料研發(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)無鉛焊料的波峰焊及再流焊設(shè)備出廠，但是，眾多無鉛焊料研發(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等組織相繼開展無鉛焊料的專題研究，耗資超過 2000萬美元，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年推出無鉛化電子產(chǎn)品，2004年實(shí)現(xiàn)全面無鉛化；
??????? 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)無鉛焊料的要求
??????? 無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。概括起來講，無鉛焊料應(yīng)盡量滿足以下這些要求：
??????? 1、無鉛焊料的熔點(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鉛焊料；另外，在開發(fā)出有較低共晶溫度的無鉛焊料以前，應(yīng)盡量把無鉛焊料的熔融間隔溫差降下來，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)的無鉛焊料在使用過程中，與線路板的銅基、或線路板所鍍的無鉛焊料、以及元器件管腳或其表面的無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)的無鉛焊料種類及其品質(zhì)、成本之評(píng)估
??????? 1、無鉛焊料研發(fā)現(xiàn)狀：
??????? 美國(guó)國(guó)家生產(chǎn)科學(xué)研究所(NCMS)通過篩選得到了7種無鉛焊料并在此基礎(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)定了無鉛焊料。表二為JEIDA組織評(píng)定的過渡期可用的合金。
??????? 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、無鉛焊料的種類及特性
??????? 從各國(guó)相關(guān)組織推薦的各種無鉛焊料及各大公司試用的狀況總結(jié)，目前過渡期無鉛焊料可分為下述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、無鉛焊料的推廣應(yīng)用過程中所需解決或應(yīng)注意的相關(guān)問題
??????? 1、無鉛錫絲的使用：
??????? ①、注意烙鐵功率的選擇，無鉛焊料的熔點(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)無鉛焊料的各種資料進(jìn)行書面論證：
??????? ①、無鉛焊料之起源：
??????? ②、無鉛焊料之推動(dòng)力：
??????? ③、無鉛焊料之市場(chǎng)導(dǎo)向：
????? （①至③可參考本文第一點(diǎn)相關(guān)論述）
??????? ④、無鉛焊料之性能：
??????? ⑤、無鉛焊料成份之選用：
??????? ⑥、無鉛焊料品質(zhì)之評(píng)估：
??????? ⑦、無鉛焊料成本之評(píng)估：
??????? ⑧、與無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)、選擇無鉛焊料供貨商對(duì)具體無鉛焊料產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估；
?????? （可要求無鉛焊料生產(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)行線路板無鉛化評(píng)估；
?????? （此點(diǎn)包括線路板自身的無鉛化評(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)行最終的無鉛化導(dǎo)入程序進(jìn)行總結(jié)；并編制無鉛焊料使用工藝及各相關(guān)工位工作指導(dǎo)書。
??????? 無鉛手工焊接成本
??????? 成本項(xiàng)目：
??????? 1.元件成本：元器件全部需符合無鉛標(biāo)準(zhǔn)；
??????? 2.焊錫成本：無鉛焊錫價(jià)格為有鉛焊錫3倍以上；
??????? 3.焊臺(tái)成本：無鉛專用焊臺(tái)價(jià)格為普通焊臺(tái)2-10倍以上，不過為一次性投入；　
??????? 4.耗材成本：無鉛用烙鐵頭消耗快，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)