150℃下使用的無鉛焊錫：為車載基板開辟新路

1998年，松下在全世界首次實(shí)現(xiàn)無鉛焊錫的實(shí)用化。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品的無鉛化已變得相當(dāng)普遍的今天，該公司又邁出了新的一步，開發(fā)出了在汽車發(fā)動機(jī)室附近也可使用的新型無鉛焊錫。本文將由松下的技術(shù)人員親自執(zhí)筆，介紹一下這種新材料帶來的沖擊及其開發(fā)歷程。

松下開發(fā)出了可在150℃高溫環(huán)境下使用的無鉛焊錫。實(shí)驗證實(shí)，即使實(shí)施3000次從-40℃至150℃的耐熱循環(huán)試驗之后，也能夠確保接合部的導(dǎo)通性。焊錫材料的成分為Sn-Ag-Bi-6In(Sn-3.5Ag-0.5Bi-6In)。

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焊錫的熔融溫度為202～211℃，可用于普通基板安裝。能夠在150℃高溫環(huán)境下使用的無鉛焊錫尚屬世界首例。

用于基板安裝的代表性無鉛焊錫Sn-3Ag-0.5Cu(熔融溫度約220℃)一般只能在100℃左右的溫度環(huán)境下使用。因此，此次的焊錫有望大大推動原來無法使用無鉛焊錫的領(lǐng)域走向無鉛化(圖1)。

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圖1：耐用范圍大幅擴(kuò)大

此次開發(fā)的無鉛焊錫可在車載要求最嚴(yán)格的發(fā)動機(jī)室內(nèi)(150℃)使用。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品的溫度環(huán)境( 100℃)下使用時，耐用年限延長約3倍。

給多方面帶來沖擊

此次開發(fā)的無鉛焊錫尤其有望對溫度條件要求嚴(yán)格的車載設(shè)備領(lǐng)域的無鉛化做出巨大貢獻(xiàn)。比如，有望使期望設(shè)置在發(fā)動機(jī)室內(nèi)以及發(fā)動機(jī)室附近的安裝基板實(shí)現(xiàn)無鉛化。

另外，在應(yīng)用于在100℃以下環(huán)境中使用的普通電子產(chǎn)品(消費(fèi)類產(chǎn)品)時，新材料還具有可使焊錫接合部的壽命(接合壽命)達(dá)到以往約3倍的優(yōu)點(diǎn)。而且，由于導(dǎo)通特性的劣化較少，可使接合面積更小，因此還具備可高密度安裝的特點(diǎn)。

有望改變汽車的設(shè)計概念

松下正在考慮將此次的無鉛焊錫應(yīng)用于車載設(shè)備。首先以推出車載馬達(dá)商品為目標(biāo)。

在歐盟(EU)實(shí)施RoHS指令的背景下，電類產(chǎn)品的無鉛化進(jìn)展順利，目前世界的關(guān)注點(diǎn)正在向汽車無鉛化轉(zhuǎn)移。隨著汽車電裝化而增加的車載設(shè)備要求使用具備高可靠性的無鉛焊錫。不過，能夠在高溫環(huán)境下使用的無鉛焊錫技術(shù)迄今尚未確立，因此在歐盟ELV(End of Life Vehicle)指令中，安裝基板使用的鉛一直被列為限期豁免對象。2000年頒布的ELV指令自實(shí)施后經(jīng)過數(shù)次修訂，目前相關(guān)豁免期限已延期到了2015年底。

此次開發(fā)的無鉛焊錫在有望徹底改變這一狀況的同時，還蘊(yùn)藏著大大改變汽車設(shè)計概念的可能性。比如，使汽車的重要制控裝置ECU(Engine Control Unit)可輕松配置在發(fā)動機(jī)附近。ECU從安裝在發(fā)動機(jī)附近的各種傳感器接收信號，驅(qū)動同樣安裝在發(fā)動機(jī)上的各種致動器。因此需要用電布線在ECU與傳感器之間以及ECU與致動器之間進(jìn)行連接。但將ECU配置在發(fā)動機(jī)附近時，會受到發(fā)動機(jī)熱量的影響，導(dǎo)致安裝基板的焊錫接合部劣化，因此原來還需要加長電布線，將ECU配置在遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)的位置上。

而使用耐熱性高的此次無鉛焊錫，可使ECU離發(fā)動機(jī)更近。這樣電布線就會比原來變短，從而實(shí)現(xiàn)輕量化，提高汽車燃效。

與原來的無鉛焊錫相比，此次的無鉛焊錫可實(shí)現(xiàn)高密度安裝，也可為輕量化做出貢獻(xiàn)。原因在于可使安裝基板小型化。目前，隨著汽車向混合動力車(HEV：Hybrid Electric Vehicle)、電動汽車(EV：Electric Vehicle)及燃料電池車等發(fā)展，行駛距離受到電池性能的限制，成為一大問題。因此，包括車身鋼板、玻璃、樹脂部件、安裝基板及電布線等在內(nèi)，削減車輛總重量今后變得愈發(fā)重要。而此次的無鉛焊錫可成為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的手段之一。

課題是合金成本……

此次的無鉛焊錫的最大課題是合金成本(表1)。原因在于使用了價格昂貴的In。Sn-3Ag-0.5Cu的合金成本為每kg約6000日元，而此次的無鉛焊錫為每kg約1萬日元。

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下面嘗試計算每塊安裝基板的成本。雖然還要看基板的尺寸如何，但焊錫的使用量為每塊基板0.5～1.0g左右。也就是說，每塊基板的合金成本從3～6日元變?yōu)?～10日元，增加了2～4日元。

不過，如前所述，此次的無鉛焊錫可縮短ECU的電布線，使安裝基板小型化?？梢哉f，這些成本削減效果為吸收合金成本的增加部分帶來了空間。

審核編輯：湯梓紅