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無鉛焊錫與導電性膠
(發表時間:2006-7-4 16:45:16  點擊數:5056)

   世界上，對無鉛焊錫替代品的興趣正在戲劇性地增加，主要因為在亞洲和歐洲都開始迅速地消除含鉛焊錫在電子裝配中的出現。日本的電子制造商已經自愿地要求到2001年在國內制造或銷售的產品是無鉛的。歐洲也在要求無鉛電子，正如1998報廢電氣與電子設備指示(WEEE)所要求的那樣。可是，由于歐洲社會的反對，最后期限沒有確定，現在的截止日期估計在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。除了來自該元素毒性的環境壓力之外，其它動機包括有害廢物處理的關注、工作場所安全性考慮、設備可靠性問題、市場競爭性、以及環境共同形象的維護。
　　現在北美電子制造商所經受的壓力本來是經濟上的，而不是法令上的。為了消除其產品再不能出口到亞洲和歐洲電子市場的危險，制造商們正在尋找可行的含鉛焊錫的替代者，包括無鉛焊錫材料與可導電性膠。

　　無鉛焊錫
　　無鉛焊錫技術不是新的。多年來，許多制造商已經在一些適當位置應用中使用了無鉛合金，提供較高的熔點或滿足特殊的材料要求。可是，今天無鉛焊錫研究的目的是要決定哪些合金應該用來取代現在每年使用的估計50,000噸的錫-鉛焊錫。取消資源豐富價格便宜的(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可得到，數量上滿足全球的需求。某些金屬 - 如銦(Indium)和鉍(Bismuth) - 不能得到大的數量，只夠用作無鉛焊錫合金的添加成分。 
　　2.也必須考慮到替代合金是無毒性的。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)，由于改變法規的結果可能落入毒性種類。 
　　3.替代合金必須能夠具有電子工業使用的所有形式，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.替代合金還應該是可循環再生的 - 將三四種金屬加入到無鉛替代焊錫配方中可能使循環再生過程復雜化，并增加成本。 
　　不是所有的替代合金都可輕易地取代現有的焊接過程。美國國家制造科學中心(NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在1997年得出結論，對共晶錫-鉛焊錫沒有“插入的(drop-in)”替代品。1994年完成的，作為歐洲IDEALS計劃一部分的研究發現，超過200種研究的合金中，不到10種無鉛焊錫選擇是可行的。
　　數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)。商業上可行的一些無鉛焊錫的例子包括，99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在這些替代合金內的所有這些元素具有與錫-鉛焊錫不同的熔點、機械性能、熔濕特性和外觀。現在工業趨向于使用接近共晶的錫銀銅(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。
　　多數無鉛合金，包括錫-銀-銅，具有超過200°C的熔點 - 高于傳統的錫-鉛合金的大約180°C的熔點。這個升高的熔點將要求更高的焊接溫度。對于元件包裝和倒裝芯片裝配，無鉛焊錫的較高熔點可能是一個關注，因為元件包裝基底可能不能忍受升高的回流溫度(圖一)。設計者現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)導電性膠來取代倒裝芯片和元件包裝應用中的焊錫。
　　無鉛合金的較高熔化溫度可提供一些優勢，比如，提高抗拉強度和更好的溫度疲勞阻抗、使其適合于象汽車電子元件這樣的高溫應用。

　　電路板與元件的表面涂層也必須與無鉛焊錫兼容。例如，銅表面涂層的板面上的焊接點可能在機械上和外觀上都受較高的無鉛焊錫的表面貼裝技術(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的錫-鉛焊錫缺少一點反光性)，可能要求標準品質控制程序的改變。最后，因為現在沒有高含鉛(high-lead-bearing)焊錫的替代品存在，所以完全的無鉛裝配還是不可能的。
　　雖然現在的助焊劑系統與錫-鉛焊錫運作良好，無鉛替代合金將不會在所有的板元件表面涂層上同樣的表現，不會容易地熔濕(wet)以形成相同的金屬間化合物焊接類型。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。
　　理想的無鉛焊錫合金將提供制造商良好的電氣與機械特性、良好的熔濕(wetting)能力、沒有電解腐蝕和枝晶的(dentritic)增長的問題、可接受的價格、和現在與將來各種形式的可獲得性。焊錫將使用傳統的助焊劑系統，不要求使用氮氣來保證有效的熔濕。
　　滿足波峰焊接、SMT和手工裝配要求的無鉛替代品今天都可在市場買到，雖然在元件無鉛合金、電路板表面涂層兼容性、助焊劑系統開發和工藝問題上要求更多的研究。 
　　導電性膠(Conductive Adhesive)
　　傳統上導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，以及將電路粘結到散熱片。由于無鉛倡議的結果，導電性膠已經成為附著表面貼裝元件焊錫的一個有吸引力的替代品。

　　在室溫下固化，或暴露在100-150°C溫度之間快速處理，這些膠對粘結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這些應用的解決方案(圖三)。
　　導電性膠提供元件與電路板之間的機械連接和電氣連接。有三種類型的電氣導電性膠，配方提供需要電氣連接的特殊用處。與焊錫類似，各向同性的(isotropic)材料在所有方向均等的導電性，可用于有地線通路的元件。導電性硅膠(silicone)幫助防止元件受環境的危害，比如潮濕，并且屏蔽電磁與無線射頻干擾(EMI/RFI)的發射。各向異性的(anisotropic)導電性聚合物或Z軸膠片允許電流只在單個方向流動，提供電氣連接性和舒緩倒裝芯片元件的應力。
　　導電性膠是熱固環氧樹脂與諸如銀、鎳、金、銅和銦或氧化錫的導電性金屬顆粒(或金屬涂層)的化合物。相當軟的金屬通過膠在固化期間收縮時的變形提供良好的顆粒接觸。現在最常見的填充材料是銀，由于其價格適中、廣泛的來源與優良的導電性。當填充顆粒通過固化的樹脂膠承載電流時，即導電也導熱。伴生的導熱性消除了機械散熱的需要，提供在晶體管或微處理器與其散熱片之間的有效熱傳導。
　　導電性膠是無鉛和無氟氯化碳(CFC-free)的，不危害臭氧層，并且不含VOC。這些材料提供良好的設計靈活性，因為它們可填充異形區域和不同尺寸的間隙。較低的膠處理溫度減少能源成本，允許裝配中使用價格低廉的基板，減少PCB上的溫度-機械應力和元件的損傷。 
　　焊錫與膠的比較 
　　無鉛焊錫與導電性膠兩者都是強有力的候選材料，提供電子元件的電氣連接和熱傳導；可是，每個技術都有其優點和缺點。取決于應用，某個粘結技術可能提供較好的性能特性，或者提供工藝或成本的優勢。
　　本性上，焊錫形成金屬基底之間的冶金連接，而導電性膠形成基底表面的機械與化學粘結。冶金連接比導電性膠形成的粘結導電性更好，一般強度更高。因為膠要求金屬填充物的有效擴散，來提供良好的電氣特性。但是填充顆粒易于氧化，可能隨著時間降低膠的導電性，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。膠會形成使金屬表面失去光澤和氧化的高強度粘結，這通常是不可焊接的。 
　　焊錫的導熱性(60-65 W/mK)比膠的(3-25 W/mK)更高。焊錫的體積電阻系數(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電性好。
　　雖然無鉛焊錫一般在剛性基板上的抗機械沖擊比導電性膠更好，但是焊錫在柔性基板上易于應力開裂。除了有高度柔性的配方之外，導電性膠抗振動與沖擊比焊錫好。因為膠不提供焊錫表面張力的自我對中作用，使用膠的元件貼裝是關鍵的，特別是超密間距的元件。對中不好造成較差的電氣接觸和對機械力的抵抗力不足。
　　焊錫很適合于J型引腳元件以及電鍍和浸錫元件。膠對具有多孔表面的電鍍元件元件與電路板粘結良好。膠也是非可焊與高度柔性的基板的唯一無鉛替代。因為膠可使用室溫或低溫固化機制，它們很適合粘結溫度敏感的裝配和元件。

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