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应对无铅焊接工艺和电子技术的挑战

电子工业正从含铅焊接系统转向无铅焊接系统。这一变化提高了新型无铅焊料熔化和流动的加工温度，致使电子配件中采用的多种传统聚合材料无法满足要求。因此，如VICTREX PEEK（聚芳醚酮）聚合材料等耐高温性聚合材料在应用无铅焊料的制造工艺中的重要性显得日益突出。本文从无铅焊接工艺的角度对 VICTREX PEEK 聚合材料与其它热塑性材料的性能进行了比较，并对其介电性能等进行了分析，同时列举了一些成功的应用实例。从中可以看出，VICTREX PEEK是一种理想的挑战无铅焊接工艺和电子技术苛刻要求的高性能聚合材料。

无铅焊接工艺和电子技术的挑战

随着 RoHS(2002/95/EC) 等指令的颁布实施，包括铅、汞、镉、六价铬在内的重金属在电子产品中的应用已受到限制。正是由于这种法规上的推动，目前电子工业正从含铅焊料系统转向无铅焊料系统。据估计，到 2008 年，无铅焊接在全球电子生产行业中的应用比例将超过50%。这种转变提高了新型无铅焊料熔化和流动的加工温度，致使电子配件中采用的多种传统聚合材料无法达到要求。无铅焊接工艺温度比传统的锡铅焊接温度高得多（无铅焊接系统为 260℃ ~300℃，而锡铅焊接系统只有 230℃）。而且在无铅工艺中，高温暴露时间也比传统工艺长。

电子设备的电路板上有多种利用表面贴装技术装配的配件，如信号继电器、电容器、移动备用电池、连接器、电讯同轴接头等。其中很多配件都是采用了聚合材料作为外壳或配件的一部分。此类应用中涉及多种聚合材料，其耐热性能完全可以达到传统锡铅焊料工艺的要求。但是，由于无铅焊料的应用提高了加工温度，因而对所用热塑性塑料的耐热性（熔化温度和热变形温度）都提出了更高要求。例如，由于无铅焊接工艺在整个焊面需要采用更高的温度，所以，薄膜贴片电容器介电层中使用的 PP 和 PET 等耐热性较低的绝缘材料就被 PPS 等耐热性更高的材料所取代。

除耐热性以外，电子配件中使用的聚合材料还需达到许多其他的要求。这包括：室温和高温环境下的高机械性能（如抗张强度、蠕变性、韧性和冲击强度）是至关重要的因素；介电性能在高频（高于1 GHz）无金属机架线传输的应用中尤为重要；聚合材料的尺寸稳定性必须尽可能接近与之配合的金属或者其他聚合材料，以确保系统的可靠性。聚合材料所具备的性能只有达到了上述所提到的所有苛刻要求，才能满足当今高性能电子产品的需要。

满足无铅焊接工艺要求

图１比较了电子应用中经常使用的各种聚合材料的熔化温度和热变形温度（HDT）。如前所述，熔化温度和热变形温度（HDT）一般都应高于无铅焊接工艺的加工温度范围（260℃～ 300℃）。而像PBT、PA66 等耐高温性能较差的材料，甚至 PPS都无法达到无铅焊接工艺对耐高温性能的要求。因为在这样的温度下，此类材料会熔化。虽然 LCP 的熔化温度很高，完全符合无铅焊接工艺对温度的要求，但其热变形温度（HDT）却差强人意，一旦出现任何相关载荷时，就会精密仪器危及应用本身。相比较之下，VICTREX PEEK 聚合材料的熔化温度和热变形温度（HDT）都超出了无铅焊接工艺的温度范围。

图１ 电子应用中各种聚合材料的熔化温度和热变形温度

对于需要采用无铅焊接工艺的配件来说，除了聚合材料的温度特性以外，所用聚合材料的抗张强度（代表聚合材料机械性能的主要指标）、高温下的释气性能和含水量也必须在考虑之列。表 1 基于这三种性能对各种玻纤填充热塑性塑料进行了比较。从表中可看出，VICTREX PEEK 聚合材料具有最高的抗张强度和最低的释气水平。由于材料中所含水份在高加工温度下可能转化为水蒸汽，而高含水量可能会对可靠性造成负面影响。因此，低吸水性材料可将其直接送往当地市政废弃物搜集点或社区零售商店是最佳选择。VICTREX PEEK 聚合材料的吸水水平比 PBT 和 PA66 低得多，但却比 PPS 和 LCP 要高。表1 电子应用中常用的各种玻纤填充聚合材料的性能比较

为了做进一步的比较，我们把几种材料在高温下的机械性能进行对比。图2所示为 30% 玻纤填充 VICTREX PEEK (90GL30)、60% 玻纤填充 VICTREX PEEK (90GL60) 和 30% 玻纤填充 PPS 的弯曲模量变化。

图2 按 DMTA法测量的玻纤填充 VICTREX PEEK 和玻纤填充 PPS 的弯曲模量比较

低温下，90GL30 的弯曲模量与 30% 玻纤填充 PPS 相当，大约为 10GPa。但是，PPS 的玻璃化转变温度 (Tg) 却比 VICTREX PEEK 聚合材料低很多（两者分别为 87℃ 和 143℃），因此，PPS 与 Tg 相关的性能在温度显著较低时就会下降；当温度高于 100℃ 左右、低于 Tg 时，90GL30 相对于 PPS 来说具有明显的优势；当高于 Tg、低于 250℃ 左右的 PPS 熔化温度时，二者的模量基本相似。而达到了这个温度，就不能再考虑使用 PPS 了；超过该温度，直到 300℃、甚至 300℃ 以上时，90GL30 均表现良好。由于部件在相对较高温度条件下进行回流焊操作时必须使其保持一定程度的刚性，因此在这一点上VICTREX PEEK明显胜于PPS。

对于更高的机械性能需求，90GL60可予以满足。因为90GL60 在整个温度范围内都具有极高的模量，远远超过 90GL30 和 PPS + 30% GF，其200℃ 左右时的模量与室温下的 PPS 相近，而且弯曲模量的下降模式与 90GL30 极为相似。得益于其较高的玻纤填料含量，90GL60 的弯曲模量始终保持在一个比 90GL30 更高的水平。

另外，我们还对在无铅焊接工艺设备的配件中应用 VICTREX PEEK 聚合材料的可能性进行了实验和研究。将 VICTREX PEEK 450G 试验条在工业无铅焊料加工机的锡炉中放置一个月。焊料由锡 (96.5%)、银 (3%) 和铜 (0.5%) 构成，温度为 260℃。在浸入前后对拉伸模量、抗张强度和伸长率进行了测量。实验结果见表2。

从试验结果可以看出，抗张强度增大、伸长率却降低了。高温下试样退火是造成这种结果的主要原因。但是这种性能上的变化非常有限，因此完全可以使用这种材料制造焊接和回流设备中的相关配件（如焊爪和湿处理齿轮）。不过，对于这种特定的用途， 仍需对其实施进一步的测试。

应用实例

1、电池垫片

在当今的中高端移动中，备用电池被广泛地用来维持主电池从移动上取下时，移动的计时和记忆功能所需的最低电力。图 3 是备用电池的截面图，箭头所指的部分是用 VICTREX PEEK 聚合材料制造的垫片。备用电可实现力、变形、位移全数字3闭环控制池直接安装在移动的电路板上。过去，常采用手工焊接和人工插接工艺进行安装。为了提高生产效率，现在多采用自动焊接工艺。鉴于其他材料无法满足要求，这种应用规定使用 VICTREX PEEK 聚合材料。之所以规定使用这种材料，是因为该材料满足无铅焊接工艺的耐热性和对两个电极室中电解质的耐化学性要求，以及满足组装过程中保持机械完整性的耐应力性能要求。另外，由于垫片非常薄（在某些极端情况下仅为 0.2 mm），材料的加工性能显得非常重要。这对许多聚合材料来说无疑是一个挑战，但对 VICTREX PEEK 聚合材料来说，其良好的薄壁模塑充填性能可以确保垫片的完美成型。

图3 移动备用电池的横面截图，箭头所指的浅灰色部件是VICTREX PEEK垫片

2、模塑连接装置

模塑互连组件 (MID) 是用于制造传感器、天线、MEMS、LED 封装等电子装置的一种新兴技术。此项技术具有降低成本、增加设计灵活性和配件集成等优势。许多 MID 都是通过无铅焊接工艺安装在电路板和系统上的，所以需要使用耐高温材料。其他要求还包括良好的电气性能、耐化学性及加工性等。

MID 所采用的模塑技术通常为二次注塑，即在两次连续注射中注塑两种不同的聚合材料。对于二次注塑工艺来说，两种不同聚合材料之间是否具有良好的粘接强度尤其重要。因此我们研究和比较了包括 VICTREX PEEK 在内的多种聚合材料的粘接强度。结果表明，VICTREX PEEK 聚合材料与 ABS 具有相对较好的粘接强度，与聚醚酰亚胺（PEI）的粘接强度为中偏下，具体情况取决于材料的注射顺序。从我们对 MID 应用的初步考察来看，VICTREX PEEK 的性能足以满足这些应用的要求。不过，这个观点的有效性尚需得到进一步的证实。表2 浸入无铅焊料前后 VICTREX PEEK 450G 的机械性能比较

3、扬声器振动膜

随着移动逐渐发展成为多媒体装置，对其扬声器的性能提出了更高的要求。为了改善音频的回放品质，扬声器的输入功率正不断提高。由于供给扬声器97% 的电能以热的形式加以释放，因而大功率扬声器的工作温度在全功率状态下可高达 260～270℃，这就产生了无铅焊接工艺之外的另一项耐高温要求。由于制造工艺牵涉到化学物质（如有机溶剂），材料还需要具有耐化学性。不管是耐高温性，还是耐化学性，VICTRE高频天线X PEEK都能满足要求。另外，振动膜一般通过聚合材料薄膜的热塑性成型进行制造。试验表明，与某些其他高温聚合材料（如聚酰亚胺）相比，无定形 VICTREX PEEK 薄膜（APTIV薄膜）的加工周期要短许多。

4、连接器

VICTREX PEEK 聚合材料已成功地应用于电子装置中各种连接器的应用之中。同轴电缆连接器就是其中之一（见图 4）。

图4 用 VICTREX PEEK 材料制成的同轴电缆连接器外壳

这种连接器主要用于在高频环境下传输大量数据。由于无铅焊料的要求，耐热性仍是一个重要指标。另外，由于部件需要在反复插拔时保持尺寸稳定性，因此，高耐久性是需要重点考虑的另一要素。

装置在高频环境条件下运行时，包括实行标准化单元化设计介电常数和耗散因子在内的聚合材料的介电性能越发重要。通常，低介电常数对高频无线相关应用来说非常理想，而对某些环境来说（例如汽车），高温下介电常数的稳定性也是个需重点考虑的因素。图 5 显示了各类 VICTREX PEEK 薄膜（包括已填充和未填充两种）在低温和高温下的介电常数。从中可以看出，结晶 VICTREX PEEK 薄膜（未填充）在室温条件下、在较宽频率范围内都具有非常低的介电常数。当温度升高到 200℃ 时，该值略微增大；矿物填充 VICTREX PEEK 薄膜 (TL40) 在室温和高温下具有相对良好的介电常数。其在室温下介电常数值几乎与未填充结晶 VICTREX PEEK 薄膜的介电常数一样低（10MHz ～10GHz 的频率范围内约为 3.5），而在200℃下 的介电常数值也维持在了大致相同的水平（10MHz 到～10GHz 的频率范围内约为 3.6 ~ 3.8）。

图5 填充和阳光房未填充的各类VICTREX PEEK 薄膜在各种频率和温度条件下测得的介电常数

耗散因子对高频应用来说同样重要。图 6 显示了 VICTREX PEEK 薄膜在各种频率和温度下的耗散因子。耗散因子在室温下很低，但是，当工作温度升高到 Tg以上时，耗散因子则显著提高，达到 0.07～0.08，这要比室温下高得多。室温下，矿物填充 VICTREX PEEK 薄膜 (TL20) 的耗散因子水平与未填充结晶 VICTREX PEEK 薄膜的相似，但在整个温度范围内保持了更良好的稳定性（频率不超过 10GHz 时无显著增加）。对于要求稳定介电性能的高温应用来说，这是一个重要的优势。

图6 填充和未填充的各类 VICTREX PEEK 薄膜在各种频率和温度条件下测得的耗散因子

VICTREX PEEK 聚合材料在连接器上的另一种潜在应用是 FPC 连接器的外壳材料。随着移动设备尺寸不断变小，FPC 连接器的运行空间也相应减小，这样，更薄的剖面和间距已成为聚合材料所面临的重大挑战。VICTREX PEEK 聚合材料有着极高的熔接线强度和冲击强度，这是其优势所在。此外，实验表明，VICTREX PEEK 聚合材料完全可用来填充壁厚仅为 0.1mm 的配件。基于VICTREX PEEK 聚合材料所具有的出色流动性和极佳的机械性能，我们有理由相信，这种材料完全有可能达到下一代 FPC 连接器工艺的要求。<3、对装备的螺母要定时的紧固/p>

结论

随着 RoHS指令的落实，对电子配件所采用的需要适应无铅焊料工艺的聚合材料的要求也发生了改变，尤其是耐热性能比以前高出许多。焊料工艺温度已经从传统含铅焊料的 230℃ 转变为无铅焊料的 260℃～300℃；配件尺寸日益缩小需要更薄壁厚的设计，因此要求材料具有更好的加工性能和机械强度；对于工艺中涉及腐蚀性化学物质的相关配件来说，还需要具有耐化学性；而对于操作温度较高的某些应用来说，材料还必须具有较高的连续使用温度 (CUT)。电子电器产品的这些苛刻要求，无疑对聚合物材料提出了挑战。

对于上述挑战，VICTREX PEEK 聚合材料可以从容应对。因为VICTREX PEEK 聚合材料在耐热性（熔融温度和热变形温度）、抗张强度、释气和吸水性，以及耐化学性、介电性能及对其他塑料和金属的附着力等方面具有其他高性能聚合材料无法比拟的综合优势，而且该聚合材料在焊接条件下与无铅焊料具有良好的适应性。事实证明，VICTREX PEEK 聚合材料有利于帮助 OEM 应对无铅焊料工艺、日益提高的应用和工艺要求所带来的重大材料难题，可以称得上是一种制造焊接设备配件和其他相关电子硬件的理想候选材料。(end)