為什么要使用無鉛焊錫
“即使鉛的使用在電子焊錫中被禁止，也不會(huì)解決全部的鉛中毒問題”
磊.普拉薩德(美)
磊.普拉薩德(美)
錫/鉛(Tin/Lead)成分的焊錫是電子裝配中最常用的焊錫，可是，在去年，整個(gè)工業(yè)出現(xiàn)一股推動(dòng)力向無鉛焊錫轉(zhuǎn)換。其理由是人們?cè)絹碓搅私庥嘘P(guān)鉛的使用及其對(duì)人類健康的不良影響。
與鉛有關(guān)的健康危害包括神經(jīng)系統(tǒng)和生育系統(tǒng)紊亂、神經(jīng)和身體發(fā)育遲緩。鉛中毒特別對(duì)年幼兒童的神經(jīng)發(fā)育有危害。
已有法律來控制鉛的使用，例如，鉛在鉛錘、汽油和油畫中的使用有嚴(yán)格的規(guī)范，在美國(guó)從1978 年起，鉛在消費(fèi)油畫中的使用已被禁止，其他相關(guān)的法規(guī)在美國(guó)、歐洲和日本正在孕育之中。 表一顯示了鉛在各種産品中的使用量，蓄電池占鉛用量的80%，電子焊錫大約占所有鉛用量的0.5%，即使鉛在電子焊錫中的使用被禁止，也不能解決全部的鉛中毒問題?？墒?，電子焊錫中的0.5%的鉛數(shù)量上還是可觀的。
表一、鉛在産品中的消耗量
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産品
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消耗量(%)
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蓄電池
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80.81
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其他氧化物(油畫、玻璃和陶瓷産品、顔料和化學(xué)品)
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4.78
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彈藥
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4.69
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鉛箔紙
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1.79
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電纜覆蓋物
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1.40
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鑄造金屬
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1.13
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銅錠、銅坯
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0.72
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管道、彎頭和其他擠壓成型産品
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0.72
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焊錫(非電子焊錫)
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0.70
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電子焊錫
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0.49
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其他
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2.77
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代替鉛的元素
電子工業(yè)正在尋找無鉛焊錫，能夠取代普遍接受和廣泛使用的錫/鉛焊錫。研究與開發(fā)的努力集中在潛在的合金上面，這種合金要提供與錫/鉛共晶焊錫相似的物理、機(jī)械、溫度和電氣性能。表二是可以取代鉛的金屬及其相對(duì)成本。
表二、替代鉛的材料及其相對(duì)價(jià)格
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鉛的替代元素
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相對(duì)價(jià)格
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鉛(參考值)
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1
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銻(Sb)
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2.2
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鉍(Bi)
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7.1
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銅(Cu)
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2.5
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銦(In)
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194
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銀(Ag)
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212
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錫 (Sn)
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6.4
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鋅(Zn)
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1.3
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除了成本之外，還必須了解考慮作爲(wèi)鉛替代的元素的供需情況。如表三所示，含鉍合金從可利用資源的出發(fā)點(diǎn)上是無希望的，現(xiàn)在可利用得鉍供應(yīng)可能被全部用完，如果將此合金廣泛用于正在蓬勃發(fā)展的電子工業(yè)。
表三、美國(guó)礦產(chǎn)局有關(guān)不同元素的世界用量及産量的資料
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元素
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世界用量(噸)
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世界産量(噸)
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剩余産量(噸)
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Ag
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13,500
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15,000
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1,500
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Bi
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4,000
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8,000
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4,000
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Cu
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8,000,000
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10,200,000
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2,200,000
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In
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80 to 100
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200
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100
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Sb
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78,200
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122,300
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44,100
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Sn
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160,000
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241,000
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81,000
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Zn
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6,900,000
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7,600,000
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700,000
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注：現(xiàn)在世界焊錫消耗量 = 60,000 噸，或 6,600,000 升
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從表二所顯示的潛在替代金屬的相對(duì)價(jià)格看，很明顯，許多無鉛焊錫將比其替代的錫/鉛焊錫貴得多。例如，銦(In)是用來取代鉛的主要元素之一，但它是一種次貴重金屬，幾乎和銀一樣貴?？墒菓?yīng)該注意，所建議的焊錫合金的高成本在決定最終産品價(jià)格時(shí)，并不象最初所顯示的那麼重要。因爲(wèi)所需的量少，在裝配中，和其他成本因素如：元件、電路板及裝配相比，焊錫成本幾乎不重要。所選合金的性能是非常重要的。
無鉛焊錫及其特性
和溫度、機(jī)械、蠕變、疲勞特性一樣，熔化溫度點(diǎn)是最重要的焊錫特性之一。表四提供了現(xiàn)時(shí)能買到的無鉛焊錫一覽表。
表四、無鉛焊錫及其特性
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無鉛焊錫化學(xué)成份
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熔點(diǎn)范圍
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說明
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48Sn/52In
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118° C 共熔
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低熔點(diǎn)、昂貴、強(qiáng)度低
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42Sn/58Bi
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138° C 共熔
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已制定、Bi的可利用關(guān)注
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91Sn/9Zn
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199° C 共熔
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渣多、潛在腐蝕性
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93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu
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218° C 共熔
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高強(qiáng)度、很好的溫度疲勞特性
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95.5Sn/3.5Ag/1Zn
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218~221° C
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高強(qiáng)度、好的溫度疲勞特性
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99.3Sn/0.7Cu
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227° C
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高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)
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95Sn/5Sb
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232~240° C
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好的剪切強(qiáng)度和溫度疲勞特性
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65Sn/25Ag/10Sb
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233° C
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摩托羅拉專利、高強(qiáng)度
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97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag
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226~228° C
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高熔點(diǎn)
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96.5Sn/3.5Ag
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221° C 共熔
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高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)
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應(yīng)該注意到，無鉛焊錫的化學(xué)成份還正在優(yōu)化，以達(dá)到所希望的特性。表四中的焊錫化學(xué)成份可能在商業(yè)上購(gòu)買的焊錫中有稍微的不同。例如，表五顯示了一些從不同的供應(yīng)商購(gòu)買的焊錫品牌。
表五、不同供應(yīng)商的無鉛焊錫
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焊錫名稱
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化學(xué)成份
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熔點(diǎn)
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說明
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Indalloy 227
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77.2Sn/20In/2.8Ag
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187°C
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潛在的In/Pb不兼容性，要求對(duì) PCB 焊盤和元件引腳無鉛電鍍
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Alloy H
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84.5Sn/7.5Bi/5Cu/2Ag
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212°C
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液態(tài)溫度太高，要求260°C以上的波峰焊溫度
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Tin/Zinc/Indium
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81Sn/9Zn/10In
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178°C
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潛在的In/Pb不兼容性，要求對(duì)PCB焊盤和元件引腳無鉛電鍍
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Castin
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96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.55Sb
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215°C
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液態(tài)溫度太高，要求260°C以上的波峰焊溫度
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Tin/Silver/Copper
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93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu
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217°C
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液態(tài)溫度太高，要求260°C以上的波峰焊溫度
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含有高量銦(In)的無鉛焊錫(如表五中第一種合金)有潛在的銦和鉛的不兼容性，如果板面和元件引腳上有鉛的話。爲(wèi)了得到真正的無鉛工藝，如果使用含銦合金，則可能有必要在PCB上使用無鉛表面處理。工業(yè)上正注重開發(fā)可替代的電鍍層。例如Alpha Metal 的AlphaLevel閃燃銀電鍍，和Motorola的對(duì)板層和元件引腳的錫/鉍電鍍。
從表四我們可以看到，無鉛焊錫要不比錫/鉛共晶合金的熔點(diǎn)低很多，要不高很多。表五所示大都是較高溫度的無鉛焊錫。當(dāng)使用低溫焊錫時(shí)，需要特殊的助焊劑，因爲(wèi)標(biāo)準(zhǔn)的助焊劑可能在低溫下無活性。和低溫焊錫有關(guān)的另一個(gè)溫題是由于次共熔溫度下，較低的流動(dòng)性引起的潤(rùn)濕特性的減少。
對(duì)低溫應(yīng)用，含銦焊錫正得到接受。一些公司正使用一種52In/48Sn的含銦焊錫，因爲(wèi)其較好的返工/返修特性。因爲(wèi)該合金的熔點(diǎn)在118° C(244° F)，返工是在低溫下進(jìn)行，一般不會(huì)引起溫度損壞。如果印刷電路板是鍍金作防氧化用，那麼，含銦焊錫可用來防止金流失。
另一種低熔點(diǎn)無鉛焊錫是58Bi/42Sn。如果我們看看Sn/Bi合金的金相圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)在138° C。鉍用于焊接合金中以達(dá)到低的焊接溫度，但該合金一般顯示出差的液化特性。
表四中列出的許多其他合金，比錫/鉛共晶的熔點(diǎn)183° C要高很多。如，鋅/錫高溫?zé)o鉛焊錫的熔點(diǎn)爲(wèi)198° C。
高熔點(diǎn)焊錫將和現(xiàn)在廣泛使用的基板材料，如FR-4，不相融合。另外，返工不得不采用高溫，將大大增加對(duì)板損壞的可能性。
現(xiàn)時(shí)還沒有混入式的無鉛焊錫替代産品，雖然有些供應(yīng)商把他們的焊錫描述成“幾乎混入式的”。甚至這些要求返工的焊接烙鐵的溫度高達(dá)400° C(750° F)，這在某些方面的應(yīng)用是一個(gè)太高的溫度，可能引起潛在的溫度損壞。
還有，在波峰焊接中使用高熔點(diǎn)焊錫的關(guān)鍵問題之一是，增加電容斷裂的可能性。波峰焊接溫度需要保持在大約230~245° C，高過錫/鉛焊錫熔點(diǎn)大約45~65° C。一種熔點(diǎn)爲(wèi)220° C的無鉛焊錫，要求265~280° C的波峰焊接溫度，這增加了預(yù)熱和波峰之間的溫度差，增加了電容斷裂的可能性。
一般來說，幾乎所有的無鉛焊錫都比錫/鉛共晶的潤(rùn)濕性能(擴(kuò)散性)差，引起不良的焊腳。爲(wèi)了改善潤(rùn)濕性能，要求特別的助焊劑配方。無鉛焊錫的疲勞特性也不太好，雖能在一份研究中，用高溫95.6Sn/3.5Ag(表四中最后一種合金)進(jìn)行溫度循環(huán)后，沒有觀察到焊接點(diǎn)完整性的退化。
理想的焊錫熔點(diǎn)應(yīng)在大約180° C，這樣回流溫度爲(wèi)210~230° C，波峰爐溫爲(wèi)235~245° C，手工焊接溫度爲(wèi)345~400° C(650~700° F)。只有很熟練的操作員才可以操作更高的手工焊接溫度，而避免溫度損壞。
電子工業(yè)協(xié)會(huì)(IPC)的標(biāo)準(zhǔn)，J-STD-006，提供了詳細(xì)的錫/鉛和無鉛焊錫的列表。可是，沒有哪一種無鉛焊錫被認(rèn)定爲(wèi)混入式的錫/鉛共晶的替代産品。工業(yè)還在尋找真正可以替代錫/鉛共晶的正確的無鉛焊錫。這是一個(gè)工業(yè)必須應(yīng)付的挑戰(zhàn)。三來電子imovzone.cn提供！
