高鉛焊料使用現(xiàn)狀與替代方案

為了保護(hù)人類的健康和安全，改善電子設(shè)備的環(huán)境性能，歐盟在2006年通過(guò)了限制有害物質(zhì)（RoHS）指令，禁止在電子設(shè)備中使用包括鉛在內(nèi)的某些有害物質(zhì)。但是，高鉛焊料（即鉛占比超過(guò)85%的鉛基合金）不在該指令的管制范圍內(nèi)，可以在任何場(chǎng)合使用。

高鉛焊料的熔點(diǎn)高達(dá)300°C以上，常用合金為Sn5Pb92.5Ag2.5和Sn5Pb95，其廣泛應(yīng)用在高溫元件連接、軍工制造、醫(yī)療器械等特殊領(lǐng)域。這些領(lǐng)域?qū)噶系目煽啃院头€(wěn)定性要求很高，需要焊料能夠承受高溫、高壓或高頻率的工作環(huán)境，同時(shí)保證元件的性能和壽命。高鉛焊料由于其高熔點(diǎn)、低氧化率、良好的潤(rùn)濕性以及優(yōu)異的可靠性和穩(wěn)定性，能夠滿足這些領(lǐng)域的需求。

由于高鉛焊料的特殊性能和應(yīng)用，目前還沒(méi)有完全可靠的替代方案。隨著科技的進(jìn)步和環(huán)保的要求，RoHS指令在2011年進(jìn)行了修訂（RoHS），規(guī)定了高鉛焊料的豁免的截止日期，以及申請(qǐng)延期的條件。根據(jù)RoHS，高鉛焊料的豁免將在2024年7月21日到期。這意味著高鉛焊料的使用者必須在這之前尋找合適的替代方案，或者向歐盟提交延期申請(qǐng)，否則將面臨歐盟的法律制裁和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力。

目前，高鉛焊料的替代方案主要有以下幾種：

1. 金錫合金焊料

Au80Sn20共晶合金，熔點(diǎn)280°C，在形成焊點(diǎn)時(shí)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如高抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕、熱蠕變性能優(yōu)異，良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，但其高昂成本使得只能用于部分高端光電元器件和軍工用品。

2. 鉍基合金

鉍基合金是高溫?zé)o鉛焊料的另一種解決方案，基于鉍合金元素，添加增強(qiáng)微納米顆粒，如添加了2.5%wt的Ag的BiAg共晶合金，熔點(diǎn)在262℃，符合RoHS環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。但Bi基合金的焊點(diǎn)較脆，韌性差，不適用于高可靠性要求的環(huán)境。

3. 燒結(jié)

燒結(jié)是一種將金屬粉末顆粒加熱并粘結(jié)成致密固體的技術(shù)，它可以提高材料的熱、電和機(jī)械性能。燒結(jié)的溫度低于材料的熔點(diǎn)，因此不會(huì)改變材料的相態(tài)，而是通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)顆粒間的結(jié)合。由于燒結(jié)后的材料比原始粉末更緊密，所以它們的性能也更優(yōu)良。燒結(jié)銀和燒結(jié)銅是目前燒結(jié)技術(shù)的主要應(yīng)用，但燒結(jié)銀的成本較高，且燒結(jié)過(guò)程中可能產(chǎn)生氣孔，影響其致密性和力學(xué)性能；燒結(jié)后的銀層可能出現(xiàn)裂紋，降低其可靠性。而燒結(jié)銅的難點(diǎn)在于防止銅粉的氧化，因此還在開(kāi)發(fā)階段。

燒結(jié)過(guò)程：Ag(Cu)粉末 ——擴(kuò)散致密化——燒結(jié)Ag(Cu)材料

以上替代方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有一種可以完全替代高鉛焊料的所有應(yīng)用。因此，廠商需要根據(jù)自己的具體需求，選擇合適的替代方案，或者繼續(xù)尋找更好的替代方案。隨著環(huán)保法規(guī)的不斷完善和執(zhí)行，高鉛焊料的使用將面臨更多的挑戰(zhàn)和限制。