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无铅连接材料及可靠性

钎焊是电子工业中进行电子组装和封装时不可替代的材料连接技术。半个世纪以来,锡铅钎料被广泛应用于电子电气产品中,但由于环境负荷及人类健康的需要,寻求替代铅的连接材料及技术解决方案变得越来越迫切。欧盟相继发布了限制和禁止使用铅等六种有毒有害物质的WEEE 和RoHS指令,并于2006年起开始实施,我国信息产业部也于2006年也发布了《电子信息产品污染控制管理办法》。这些指令对我国电子业冲击之大和涵盖范围之广,涉及计算机、无线通信、家用电器等几乎所有的电子制造产业。我国是锡生产和出口大国,同时也是生产和消耗各种电子电器产品的大国,电子信息等产业面临着开发新型无铅连接材料及连接技术的严峻挑战。

近20年来,我国的相关高校及研究院所也开展了大量有关无铅焊料及应用的研究工作,不完全统计,我国学者每年有上百篇相关研究成果在英文期刊和会议上发表,归纳起来主要集中在无铅合金钎料及无铅连接可靠性技术两大方面。

在替代SnPb的无铅合金钎料方面,目前SnCu(SC)和SnAgCu(SAC)系两类合金得到了较为广泛的应用,其中SC合金钎料Cu的质量分数0.7%,SAC 合金钎料中Ag质量分数多在3%~4%,Cu质量分数多在0.5%~0.7%,其中的两个主流合金是Sn3.8Ag0.7Cu(SAC387)共晶合金及 Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)近共晶合金,为了改善 SnAgCu系无铅合金的性能,我国研究人员相继开发了多种添加第4 组元的SnAgCuX 无铅钎料,比如添加微量稀土Re可以改善钎料的润湿、蠕变、蠕变疲劳性能。研究发现,在SAC合金中添加少量稀土元素,除了可以保持 SAC 钎料优良的物理性能和钎焊工艺性能之外,还显著改善了钎料的长期力学性能,提高了连接接头的可靠性。

为了进一步降低钎料的成本,在尽量保持SnAgCu共晶合金钎料优良性能的基础上,还致力于开发低Ag质量分数(小于3%)的SAC钎料合金。通过多年的研究,目前国内已拥有几十项无铅焊料相关的发明专利。在实际电子电气产品组装中,钎焊接头同时起到电连接和机械连接的双重作用,接头可靠性至关重要。由于连接接头热膨胀系数的差异,环境温度变化或功率循环使电子组装焊点产生热疲劳或热力疲劳,引发接头的损伤、裂纹萌生与扩展,逐步丧失连接作用。有的电子产品在服役过程中还可能经受振动、冲击或意外跌落,加速钎焊接头的失效。一般说来,大多数钎焊接头的失效是在蠕变、疲劳交互作用下发生的。而对无铅电子组装钎焊接头进行准确的寿命预测,涉及材料的三维非线性行为、接头形状及加载方式,同时要考虑元件形状及接头形式、接头微观组织在服役过程中的演化、界面金属间化合物影响等。研究结果表明,无铅电子组装结构的失效机理与形式与传统的SnPb组装结构有较大差别,比如,SAC钎料微接头蠕变试验发现,低应力下,SAC387 钎焊接头的蠕变激活能由基体Sn的晶格自扩散激活能控制,高应力条件下,其蠕变激活能与基体Sn的位错管道激活能接近。但目前的电子产品疲劳失效预测寿命预测模型大多针对SnPb钎料,这些模型向无铅过渡尚需大量工作,还需要深入了解无铅组装的失效模式和机制、无铅钎料的热力本构关系,这需要大量可靠性试验数据的积累,并建立试验确定的循环失效寿命与有限元模拟分析结果的对应关系。

在产业领域,2008 年广东省率先颁布了广东省无铅技术路线图,根据广东省电子制造的实际情况,提出了包含无铅片式元器件、无铅焊接材料、无铅电子制造设备及无铅可靠性和标准的几个重要的研究方向,并组建了无铅电子制造省部产学研创新联盟。2010 年我国成立了家电产品绿色制造技术创新战略联盟。

此外,国家攻关项目“消费类产品有毒有害物质的认证评价技术研究与示范”(2005BA909B06)、国家自然科学基金、粤港关键领域重点突破项目“电子电器产品无铅 化共性技术研究与应用”(2008A092000007)、广东省—教育部产学研项目、企业委托项目等近年来均支持了有关无铅组装结构的可靠性研究,着重研究了无铅电子电器产品的失效机理、寿命理论及可靠性评价技术,建立了无铅连接可靠性的评价平台。部分研究成果已在华为、美的、格力、格兰仕、风华等电子电器制造企业得到应用。目前我国部分电子产品已进入无铅制造阶段,出口产品已基本实现无铅化。