低温锡膏焊接工艺 助力减缓全球变暖

2023-03-02 17:54:28     来源:中国科技新闻网

制造业既是我国经济增长的重要引擎,也是当前碳排放的主要领域。作为制造业的重要组成部分,电子行业的低碳发展,对我国整体实现碳达峰、碳中和具有 重要影响。2022年,工信部、国家发改委、生态环境部联合印发《工业领域碳达峰实施方案》,支持电子等行业龙头企业,在供应链整合、创新低碳管理等关键 领域发挥引领作用,将绿色低碳理念贯穿于产品设计、原料采购、生产、运输、储存、使用、回收处理的全过程。

近年来,由于高性能计算和人工智 能演算的普及,面对高效能与高带宽、低功耗、多芯片整合、空间集积化设备要求,以及各国积极落实环保碳中和相关政策,采用低温焊料且不含铅的低温焊接工艺 (Low Temperature Soldering,简称 LTS),成为了众所瞩目的焦点。一经推出去后就被行业采纳,有效解决了困扰电子产品制造流程十几年的高热量、高能耗、高二氧化碳排放量的“三高”难题。

电子材料无铅化助推 低温焊接工艺应运而生

合金焊料是电子行业焊接过程中最为关键的电子封装材料,它将IC、分立器件、被动元件通过焊料焊接在印制电路板上,实现电子产品最基本的功能。每天都有大量的合金焊料制成的锡膏在电子产品生产线上被大量消耗,同时,在此过程中的热量、能耗与碳排放一直无法得到有效控制。

然而,本世纪初,在电子行业中,以锡、铅为主要成分的中温焊料仍处于主流制造工艺地位,但因铅含量较多,不做防护长时间接触对身体有害,并且不环保。 2003年欧盟发布的WEEE(报废电子电气设备指令)和RoHS(关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令)正式生效,形成了第一部强制禁止电 子产品使用铅和有限度使用卤素的法令。中国信息产业部拟定的《电子信息产品生产污染防治管理办法》提出自2006年7月1日起,投放市场的国家重点监管目 录内的电子信息产品不能含有铅。电子装联焊接工艺从有铅焊料(SnPb)过渡到无铅焊料。电子材料无铅化的变革浪潮也正式兴起,同时让从业者开始投入到了 无铅焊料的研发及量产。

据专家介绍,目前全球无铅焊料的实际应用较广泛的主要有五大系列无铅合金焊料,分别是Sn-Ag系、Sn-Cu系、 Sn-Bi系、Sn-In系以及Sn-Zn系。其按照熔点可分为三种,高温焊料(熔点在200°C以上)、中温焊料(熔点在180°C-200°C)、低 温焊料(熔点低于180°C)。

在从有铅焊料向无铅焊料转换过程中,锡银铜(Sn-Ag-Cu)系合金焊料虽然其焊接温度较高,但因为其综合成本低,无需氮气焊接环境的优势逐渐被认可。经过近10年的应用,锡银铜合金焊料被大多数企业广泛采用。

其实,低温焊料作为低温焊接技术的重要基础材料,也已有20多年的产业研究及应用历史,已经成为业界广泛认可的标准化合金焊料。早在2006年国际电子工业 联接协会(IPC)的IPC J-STD-006C-2013,日本工业标准(JIS)的JIS Z 3282-2006,以及国际标准化组织(ISO)的ISO9453-2006等都对低温系焊料做了明确的定义和要求。

IPC J-STD-006C-2013对Sn-In系、Sn-Bi系低温焊料合金的要求

JIS Z 3282-2006规定的低温焊料系列

ISO9453-2006对Bi58Sn42低温焊料的要求

国际电子生产商联盟(iNEMI-国际众多顶级电子供应链厂商顶尖专家共同组建的行业联盟)在2015年就启动了基于锡铋的低温焊接工艺和可靠性的研究项目,制定了一系列评测和应用标准。与此同时,国内许多锡膏厂商也开发出更多的基于锡铋合金的低温锡膏。

据介绍,经过行业多年的大量开发、试验、评估及应用,Sn-Bi低温焊接技术的商用比例在消费电子领域不断拓展提高。10多年前,低温焊接技术已广泛应用在LCD/LED显示屏、高频头、防雷元件、温控元件、柔性板等热敏感电子元器件的低温组装场景。

优势明显 低温锡膏工艺成减碳生力军

2009 年哥本哈根气候峰会提出Greenhouse Gas(GHG)全球温室气体效应排放盘查,中国政府在联合国气候变化峰会上承诺,“中国将进一步把应对气候变化纳入经济社会发展规划,并继续采取强有力 的措施”。在“碳达峰·碳中和”日益成为全球新的政治认同和国际政治经济利益博弈手段的情况下,2021年中国提出的“30·60”目标使全球政治经济格 局发生新的深刻变化。“碳达峰·碳中和”目标一方面对企业减碳化转型发展提出更高要求,另一方面,为整个市场创造了巨大的绿色投资新机遇。

2017年,在工业和信息化部指导下,中国绿色制造联盟正式成立,为数十家世界500强企业及百余家涵盖钢铁、化工、建材、电力、能源、机械、轻工、电子信息等行业的企业和机构,给予了低温焊接技术充分肯定和支持。

目前市场普遍应用的低温焊料是指锡铋Sn-Bi系二元合金,与高温焊料220°C的熔点相比,低温焊料Sn-Bi的熔点在139°C,能够在185°C以下 进行焊接,使焊接峰值温度降低达60℃,极大改善了回流焊接过程中热应力带来的PCB和芯片翘曲风险导致的焊接可靠性缺陷,同时降低SMT组装过程中的能 耗超过20%,减少了大量二氧化碳的排放。

业内专家称,新的焊接技术的研究及应用,不仅仅局限于焊接材料的更替,它是一个非常复杂的系统工 程,需要在满足产品各项性能要求的同时,依据焊料合金的各项特点展开全方面的技术研究,涉及焊接基础材料的开发研究,产品设计端的设计变更,各种元器件的 选型匹配,制造工艺的调整优化,测试手段/方法/标准的制定(电性能、可靠性),需要众多相关科研人员、设计人员及工程技术人员的大量研究及试验工作。多 年大量的实验结果表明,低温焊接符合IPC-A-610G/H version B 的标准 ,同时符合产品的可靠性功能要求,确保了新的焊接技术能够被顺利可靠的应用。

随着减碳行动的普及,电子行业纷纷开始制定低碳相关战略,全面进入节能减碳时代。此外,根据国际电子生产商联盟(iNEMI)的预测,到 2027 年,采用低温焊接工艺的产品市场份额将从约 1% 增长至 20% 以上。有效减少生产过程中的二氧化碳排放,大幅改善焊接过程中热应力导致的焊接可靠性缺陷,并降低生产成本,成为了低温焊接工艺的三大杀手锏,同时也为减 缓全球变暖和助力碳中和行动增添了新生力量。

新技术、新材料、新工艺、新产品的发展与应用,符合人们对美好生活的追求,更是企业基业长青、生生不息的源动力。

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