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。可是，今天無(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。

　　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。現(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)開發(fā)和工藝問(wèn)題上要求更多的研究。

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