一、无铅化的起源

        将金属铅用作低温焊料已有多年的历史，其优点在于铅锡合金在较低温度下易熔化，而且铅的储量丰富、价格便宜。但Pb是一种有毒的金属，已经广为人知：对人体有害，并且对自然环境的破坏性很大，尤其废弃的电子器件垃圾中铅的渗透产生的污染，含铅器件的再利用过程中有毒物质的扩散等。随着人们环保意识日益增强，作为污染土壤和地表水的潜在因素，人们对铅限制使用的呼声越来越高；尽管电子组装与封装行业所用的铅占不到世界铅耗量的1%，但行业所废弃的焊接件占废弃铅元素比例迅速增加，因此表面贴装业的无铅化已成为社会共识。

        90年代初，美国率先提出了无铅工艺并制定了一个标准来限制产品中的铅含量，但由于当时无铅工艺还不成熟，加上这样做会加大厂商的制造成本，所以标准最终未能执行。但无铅工艺的发展没有停滞，制造商正在积极讨论在材料、回流焊温度、PCB、装配过程和检测等方面制定统一的标准。 11

        “无铅概念”90年代末起源日本，2003年末电子工业大约70%～80%已生产无铅产品，日本电子信息技术产业协会将在2005年全部实现无铅化：无铅焊料应用于所有元件、材料和产品中。日本的无铅化进程主要是由其产业界驱动，日本的JEIDA（日本电子工业发展协会）已提出新产品中的无铅化路线图：日立公司2001年实现无铅，并建成36条无铅电装生产线；松下公司2001年前全部消费电子产品实现无铅；索尼公司2001年除了高密度封装外，产品已实现无铅；东芝公司2002年对手机实现无铅；富士通公司2002年12月实现所有产品无铅化；日本OEMS公司2001到2002年按计划分步骤地禁止使用电子铅料。同时日本颁布了一些相应的法律：《家电回收法》、《绿色采购法》和《资源有效利用促进法》。

        日本的行动激发了美国，美国也加速了无铅化技术的开发与应用。1999年美国NEMI成立专门工作组，帮助北美公司于2001年启动无铅电子组装，并且TRI公布禁止使用铅等有害物质相关法律。在发展无铅技术中，美国NEMI成员广：AIM、Alpha Metals、Celestica、Chip PAC、FCI Electronics、IBM、Indium、Intel、ITRI、Johnson Manufacturing、Kester Solder、Motorola、NIST、SCI Systems、Storage Technology、Texas Instruments、Universal Instruments和Vitronics Soltec等；据悉，摩托罗拉2002年通讯产品中的无铅产品已占5%以上，2010年将全部实现无铅化。

        而后欧洲联盟以严格的法律加以响应，2002年10月11日，欧洲议会和欧盟部长理事会批准通过了WEEE（报废电子电气设备）和ROHS（关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质）指令；2003年2月13日公布欧盟成员国将在未来18个月通过各自关于该指令方案的法律；经过数年的磋商和讨论之后，到2005年有25个欧洲联盟成员国，开始执行“禁止在电子器件中使用铅的法律”，要求从2006年7月1月开始，所有用于欧洲市场的电子产品必须是无铅的，包括信息通讯技术设备、消费类电子、家用电器等。

        该项法律也规定了多项例外：用于服务器、存储器、以及特种网络设施的焊料，到2010前仍然可以含铅；含铅量超过85％的焊料也不在此项规定范围。欧洲委员会还在启动一项针对更多免责的评估，比如用于高端PC处理器的倒装芯片封装的互连中的含铅焊料，大多数这种互连是高度含铅的C4焊球。欧盟关于铅等危险物的限制原则是尽量替换铅，只有在“技术上无法替换”时才可以使用铅。指令的适用范围有时定义得也不太明确，例如：消费电子不可以用铅，而汽车电子可以，那么汽车内的收音机怎么办？目前允许汽车收音机含铅，但是还有些类似情况仍然有待进一步裁决。由于供应链的全球化，欧联的无铅法律将影响全球的电子产业，其它国家已经开始有了类似的法律。例如：中国已经提出了禁止同样物质的类似法律，而且最后期限也设定为2006年7月1日。

        中国正在与世界同步地进行着无铅化技术方面的研究和开发工作，出台了《电子产品生产污染防治管理办法》。清华大学材料系电子材料与封装技术研究室研究了向Sn-Ag-Cu基体中添加In和Bi元素，从而得到较好的无铅焊料。然而，与世界相比，中国的电子产品绿色无铅化研究还处于初始阶段。

二、无铅焊料发展状况

        随着2006年无铅化的最终期限日益临近，无铅化技术挑战中，无铅材料的供应是个重大的问题。无铅化，主要在于无铅焊料的选择及焊接工艺的调整，其中尤以无铅焊料的选择最为关键。

        无铅焊料与有铅焊料主要区别在以下几个方面：一、成分区别：通用6337有铅焊丝组成比例为：63％的Sn，37％的Pb，无铅焊丝的主要组成复杂（以Alpha metal的reliacore15为例：96.5%Sn；3.0％Ag；0.5％Cu）；二、熔点及焊接温度：一般来说通用6337有铅焊丝熔点为183℃、焊接温度为350℃，无铅焊丝熔点为220℃、焊接温度为390℃。选择无铅焊料的原则是：熔点尽可能低、结合强度高、化学稳定性强。人们先后研究过许多锡基合金，发现Sn-3.5Ag是众多无铅焊料的基础，溶点221O℃（Sn-Pb焊料的熔点为183O℃），液态下表面张力大、润湿性差、强度高、抗蠕变性强。Sn-3.8Ag-0.7Cu：熔点217O℃，Cu的引入不仅降低了熔点，且显著改善了润湿性能；245O℃即具有很好的润湿性，但在表面贴装时，由于大元件较大的热容量，回流焊温度需提高到260O℃；对有引线及无引线元件的热循环试验表明，Sn-Ag-Cu不比Sn-Pb焊料差。

        在电子装配中，元器件的无铅电镀是实现无铅化的首要条件，这样，对元器件供应商提出了挑战。由于无铅电镀和含铅电镀的工艺基本是一样的，故电镀的无铅化难度相比贴装无铅化要简单一些，关键是要选择适当的替代合金，使镀层质量和使用性能能够满足焊接要求。镀层质量指电镀不产生晶须、表面光泽好、与镍层结合牢固；使用性能包括：湿润性(润湿角、一定温度下的润湿时间)、与焊料接合强度、回流焊后的气孔、抗老化性能等。

        半导体装配委员会（SAC）近来声称，在元件接触电镀技术中使用无铅合金焊料，并已证明铜锡合金焊料的特性与铅锡合金焊料的状况相符合，大部分无铅焊料含锡合金的比率很高。国际锡研究协会（ITRI）的焊接技术研究部门，对已开发的主要无铅焊料进行了综合性能试验比较，从综合性能看Sn-Ag-Cu为最好，而且是目前使用用最多的主流无铅焊料合金；这种合金具有优良的物理性能和高温稳定性，已在世界范围内推广使用。

        虽然目前大器件提供纯锡合金电镀技术，但并是有的元器件都要遵守此规则。因此，纯锡合金并不是无铅焊料的惟一选择；正在研究和已经实用化的无铅焊料可分为三类：高温的Sn-Ag系、Sn-Cu系，中温的Sn-Zn系，低温的Sn-Bi系。目前比较成功的无铅电镀合金有两种：美国开发的Ni-Sn系统和日本开发的Cu-Sn 系统，基本满足了上述镀层质量和使用性能要求。

        日本推荐的Sn-Ag-Cu-Bi合金中，Sn-3.4Ag-4.8Bi，熔点200～216O℃，润湿性佳，表面亮，抗热疲劳及耐蠕变性与Sn-Ag-Cu焊料相当，强度优于Sn-Pb。但该合金对铅极为敏感，极少量的铅也会使其熔点降至96O℃，当线路板暴露在100O℃以上温度时，焊点就会脱落。Sn-Cu：溶点227O℃，曲服强度低，蠕变速度高，最适合取代现在的高铅焊料（熔点大于300O℃），用于倒装芯片焊接。Sn-Zn系列：包括Sn-9Zn和Sn-Ag-Zn；Sn-Zn的低共熔点199O℃，接近于Sn-Pb；Zn在空气中会迅速氧化，形成大量氧化皮，故该焊料必须在完全无氧的环境下使用，此时其润湿性接近Sn-Pb焊料，但Zn在固态下仍易于腐蚀，从而降低了焊料的耐腐蚀性，因此，该合金的广泛使用仍存在着无法逾越的障碍。

        无铅焊料的供应大致有两种形式：㈠传统的固态棒状、丝状、块状等固态焊料；㈡液态焊料：焊膏。焊膏在印刷电路板中广泛使用，尤其小间距模板、能适应微细间距对焊膏的要求较高，以优化印刷参数。现在焊膏供应商以提供了几种无铅焊膏：SnAg3.5、SnAgBixx和SnCu0.9。