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無(wú)鉛焊錫與導(dǎo)電性膠

(發(fā)表時(shí)間:2006-7-4 16:45:16 點(diǎn)擊數(shù):5497)

世界上，對(duì)無(wú)鉛焊錫替代品的興趣正在戲劇性地增加，主要因?yàn)樵趤喼藓蜌W洲都開(kāi)始迅速地消除含鉛焊錫在電子裝配中的出現(xiàn)。日本的電子制造商已經(jīng)自愿地要求到2001年在國(guó)內(nèi)制造或銷(xiāo)售的產(chǎn)品是無(wú)鉛的。歐洲也在要求無(wú)鉛電子，正如1998報(bào)廢電氣與電子設(shè)備指示(WEEE)所要求的那樣�？墒�，由于歐洲社會(huì)的反對(duì)，最后期限沒(méi)有確定，現(xiàn)在的截止日期估計(jì)在2004年以后。有許多理由支持把鉛從電子焊錫材料中消除的努力。除了來(lái)自該元素毒性的環(huán)境壓力之外，其它動(dòng)機(jī)包括有害廢物處理的關(guān)注、工作場(chǎng)所安全性考慮、設(shè)備可靠性問(wèn)題、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性、以及環(huán)境共同形象的維護(hù)。
　　現(xiàn)在北美電子制造商所經(jīng)受的壓力本來(lái)是經(jīng)濟(jì)上的，而不是法令上的。為了消除其產(chǎn)品再不能出口到亞洲和歐洲電子市場(chǎng)的危險(xiǎn)，制造商們正在尋找可行的含鉛焊錫的替代者，包括無(wú)鉛焊錫材料與可導(dǎo)電性膠。

　　無(wú)鉛焊錫
　　無(wú)鉛焊錫技術(shù)不是新的。多年來(lái)，許多制造商已經(jīng)在一些適當(dāng)位置應(yīng)用中使用了無(wú)鉛合金，提供較高的熔點(diǎn)或滿足特殊的材料要求�？墒牵裉鞜o(wú)鉛焊錫研究的目的是要決定哪些合金應(yīng)該用來(lái)取代現(xiàn)在每年使用的估計(jì)50,000噸的錫-鉛焊錫。取消資源豐富價(jià)格便宜的(大約每磅0.40美元)鉛，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加許多。
　　選擇用來(lái)取代鉛的材料必須滿足各種要求：

　　1.它們必須在世界范圍內(nèi)可得到，數(shù)量上滿足全球的需求。某些金屬 - 如銦(Indium)和鉍(Bismuth) - 不能得到大的數(shù)量，只夠用作無(wú)鉛焊錫合金的添加成分。
　　2.也必須考慮到替代合金是無(wú)毒性的。一些考慮中的替代金屬，如鎘(Cadmium)和碲(Tellurium)，是毒性的；其它金屬，如銻(Antimony)，由于改變法規(guī)的結(jié)果可能落入毒性種類(lèi)。
　　3.替代合金必須能夠具有電子工業(yè)使用的所有形式，包括返工與修理用的錫線、錫膏用的粉末、波峰焊用的錫條、以及預(yù)成型(preform)。不是所有建議的合金都可制成所有的形式，例如鉍含量高將使合金太脆而不能拉成錫線。
　　4.替代合金還應(yīng)該是可循環(huán)再生的 - 將三四種金屬加入到無(wú)鉛替代焊錫配方中可能使循環(huán)再生過(guò)程復(fù)雜化，并增加成本。
　　不是所有的替代合金都可輕易地取代現(xiàn)有的焊接過(guò)程。美國(guó)國(guó)家制造科學(xué)中心(NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在1997年得出結(jié)論，對(duì)共晶錫-鉛焊錫沒(méi)有“插入的(drop-in)”替代品。1994年完成的，作為歐洲IDEALS計(jì)劃一部分的研究發(fā)現(xiàn)，超過(guò)200種研究的合金中，不到10種無(wú)鉛焊錫選擇是可行的。
　　數(shù)量上足夠滿足焊錫的大量需求的元素包括，錫(Sn, tin)、銅(Cu, copper)、銀(Ag, silver)和銻(Sb, antimony)。商業(yè)上可行的一些無(wú)鉛焊錫的例子包括，99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb�；旌显谶@些替代合金內(nèi)的所有這些元素具有與錫-鉛焊錫不同的熔點(diǎn)、機(jī)械性能、熔濕特性和外觀�，F(xiàn)在工業(yè)趨向于使用接近共晶的錫銀銅(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。
　　多數(shù)無(wú)鉛合金，包括錫-銀-銅，具有超過(guò)200°C的熔點(diǎn) - 高于傳統(tǒng)的錫-鉛合金的大約180°C的熔點(diǎn)。這個(gè)升高的熔點(diǎn)將要求更高的焊接溫度。對(duì)于元件包裝和倒裝芯片裝配，無(wú)鉛焊錫的較高熔點(diǎn)可能是一個(gè)關(guān)注，因?yàn)樵b基底可能不能忍受升高的回流溫度(圖一)。設(shè)計(jì)者現(xiàn)在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的溫度，以及各向異性的(anisotropic)導(dǎo)電性膠來(lái)取代倒裝芯片和元件包裝應(yīng)用中的焊錫。
　　無(wú)鉛合金的較高熔化溫度可提供一些優(yōu)勢(shì)，比如，提高抗拉強(qiáng)度和更好的溫度疲勞阻抗、使其適合于象汽車(chē)電子元件這樣的高溫應(yīng)用。

　　電路板與元件的表面涂層也必須與無(wú)鉛焊錫兼容。例如，銅表面涂層的板面上的焊接點(diǎn)可能在機(jī)械上和外觀上都受較高的無(wú)鉛焊錫的表面貼裝技術(shù)(SMT)回流焊接溫度的影響，它可能造成錫與銅之間有害金屬間化合物的形成。無(wú)鉛焊錫的外觀也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比傳統(tǒng)的錫-鉛焊錫缺少一點(diǎn)反光性)，可能要求標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)控制程序的改變。最后，因?yàn)楝F(xiàn)在沒(méi)有高含鉛(high-lead-bearing)焊錫的替代品存在，所以完全的無(wú)鉛裝配還是不可能的。
　　雖然現(xiàn)在的助焊劑系統(tǒng)與錫-鉛焊錫運(yùn)作良好，無(wú)鉛替代合金將不會(huì)在所有的板元件表面涂層上同樣的表現(xiàn)，不會(huì)容易地熔濕(wet)以形成相同的金屬間化合物焊接類(lèi)型。因此可能需要改善助焊劑，提高熔濕性能，減少BGA焊接中的空洞。
　　理想的無(wú)鉛焊錫合金將提供制造商良好的電氣與機(jī)械特性、良好的熔濕(wetting)能力、沒(méi)有電解腐蝕和枝晶的(dentritic)增長(zhǎng)的問(wèn)題、可接受的價(jià)格、和現(xiàn)在與將來(lái)各種形式的可獲得性。焊錫將使用傳統(tǒng)的助焊劑系統(tǒng)，不要求使用氮?dú)鈦?lái)保證有效的熔濕。
　　滿足波峰焊接、SMT和手工裝配要求的無(wú)鉛替代品今天都可在市場(chǎng)買(mǎi)到，雖然在元件無(wú)鉛合金、電路板表面涂層兼容性、助焊劑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和工藝問(wèn)題上要求更多的研究。
　　導(dǎo)電性膠(Conductive Adhesive)
　　傳統(tǒng)上導(dǎo)電性膠作為將集成電路膠接與引腳框架(lead frame)的芯片附著(die-attach)材料使用。它們也用于制作印刷電路的分層，將銅箔附著在電路板或柔性的基底上，以及將電路粘結(jié)到散熱片。由于無(wú)鉛倡議的結(jié)果，導(dǎo)電性膠已經(jīng)成為附著表面貼裝元件焊錫的一個(gè)有吸引力的替代品。

　　在室溫下固化，或暴露在100-150°C溫度之間快速處理，這些膠對(duì)粘結(jié)溫度敏感元件和在象塑料與玻璃這樣的不可焊接的基板上提供電氣連接是很好的(圖二)。由于高度靈活性的配方，導(dǎo)電性膠也是諸如柔性電路的裝配與修理或柔性基板與連接器粘結(jié)這些應(yīng)用的解決方案(圖三)。
　　導(dǎo)電性膠提供元件與電路板之間的機(jī)械連接和電氣連接。有三種類(lèi)型的電氣導(dǎo)電性膠，配方提供需要電氣連接的特殊用處。與焊錫類(lèi)似，各向同性的(isotropic)材料在所有方向均等的導(dǎo)電性，可用于有地線通路的元件。導(dǎo)電性硅膠(silicone)幫助防止元件受環(huán)境的危害，比如潮濕，并且屏蔽電磁與無(wú)線射頻干擾(EMI/RFI)的發(fā)射。各向異性的(anisotropic)導(dǎo)電性聚合物或Z軸膠片允許電流只在單個(gè)方向流動(dòng)，提供電氣連接性和舒緩倒裝芯片元件的應(yīng)力。
　　導(dǎo)電性膠是熱固環(huán)氧樹(shù)脂與諸如銀、鎳、金、銅和銦或氧化錫的導(dǎo)電性金屬顆粒(或金屬涂層)的化合物。相當(dāng)軟的金屬通過(guò)膠在固化期間收縮時(shí)的變形提供良好的顆粒接觸�，F(xiàn)在最常見(jiàn)的填充材料是銀，由于其價(jià)格適中、廣泛的來(lái)源與優(yōu)良的導(dǎo)電性。當(dāng)填充顆粒通過(guò)固化的樹(shù)脂膠承載電流時(shí)，即導(dǎo)電也導(dǎo)熱。伴生的導(dǎo)熱性消除了機(jī)械散熱的需要，提供在晶體管或微處理器與其散熱片之間的有效熱傳導(dǎo)。
　　導(dǎo)電性膠是無(wú)鉛和無(wú)氟氯化碳(CFC-free)的，不危害臭氧層，并且不含VOC。這些材料提供良好的設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)樗鼈兛商畛洚愋螀^(qū)域和不同尺寸的間隙。較低的膠處理溫度減少能源成本，允許裝配中使用價(jià)格低廉的基板，減少PCB上的溫度-機(jī)械應(yīng)力和元件的損傷。
　　焊錫與膠的比較
　　無(wú)鉛焊錫與導(dǎo)電性膠兩者都是強(qiáng)有力的候選材料，提供電子元件的電氣連接和熱傳導(dǎo)；可是，每個(gè)技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。取決于應(yīng)用，某個(gè)粘結(jié)技術(shù)可能提供較好的性能特性，或者提供工藝或成本的優(yōu)勢(shì)。
　　本性上，焊錫形成金屬基底之間的冶金連接，而導(dǎo)電性膠形成基底表面的機(jī)械與化學(xué)粘結(jié)。冶金連接比導(dǎo)電性膠形成的粘結(jié)導(dǎo)電性更好，一般強(qiáng)度更高。因?yàn)槟z要求金屬填充物的有效擴(kuò)散，來(lái)提供良好的電氣特性。但是填充顆粒易于氧化，可能隨著時(shí)間降低膠的導(dǎo)電性，而焊錫易于浸析出(leaching)金屬(如，金或銅)，它可能脆化和削弱焊接點(diǎn)。膠會(huì)形成使金屬表面失去光澤和氧化的高強(qiáng)度粘結(jié)，這通常是不可焊接的。
　　焊錫的導(dǎo)熱性(60-65 W/mK)比膠的(3-25 W/mK)更高。焊錫的體積電阻系數(shù)(volume resistivity)為0.000015 ohm.cm，比膠的0.0006 ohm.cm少得多，表示焊錫通常比膠的導(dǎo)電性好。
　　雖然無(wú)鉛焊錫一般在剛性基板上的抗機(jī)械沖擊比導(dǎo)電性膠更好，但是焊錫在柔性基板上易于應(yīng)力開(kāi)裂。除了有高度柔性的配方之外，導(dǎo)電性膠抗振動(dòng)與沖擊比焊錫好。因?yàn)槟z不提供焊錫表面張力的自我對(duì)中作用，使用膠的元件貼裝是關(guān)鍵的，特別是超密間距的元件。對(duì)中不好造成較差的電氣接觸和對(duì)機(jī)械力的抵抗力不足。
　　焊錫很適合于J型引腳元件以及電鍍和浸錫元件。膠對(duì)具有多孔表面的電鍍?cè)c電路板粘結(jié)良好。膠也是非可焊與高度柔性的基板的唯一無(wú)鉛替代。因?yàn)槟z可使用室溫或低溫固化機(jī)制，它們很適合粘結(jié)溫度敏感的裝配和元件。

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