无铅焊锡

無鉛焊錫

“即使鉛的使用在電子焊錫中被禁止，也不會解決全部的鉛中毒問題”

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，整個工業出現一股推動力向無鉛焊錫轉換。其理由是人們越來越瞭解有關鉛的使用及其對人類健康的不良影響。

與鉛有關的健康危害包括神經系統和生育系統紊亂、神經和身體發育遲緩。鉛中毒特別對年幼兒童的神經發育有危害。

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格的規範，在美國從1978 年起，鉛在消費油畫中的使用已被禁止，其他相關的法規在美國、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。可是，電子焊錫中的0.5%的鉛數量上還是可觀的。

代替鉛的元素

電子工業正在尋找無鉛焊錫，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、機械、溫度和電氣性能。表二是可以取代鉛的金屬及其相對成本。

除了成本之外，還必須瞭解考慮作爲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點上是無希望的，現在可利用得鉍供應可能被全部用完，如果將此合金廣泛用於正在蓬勃發展的電子工業。

從表二所顯示的潛在替代金屬的相對價格看，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。可是應該注意，所建議的焊錫合金的高成本在決定最終産品價格時，並不象最初所顯示的那麽重要。因

爲所需的量少，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、機械、蠕變、疲勞特性一樣，熔化溫度點是最重要的焊錫特性之一。表四提供了現時能買到的無鉛焊錫一覽表。

應該注意到，無鉛焊錫的化學成份還正在優化，以達到所希望的特性。表四中的焊錫化學成份可能在商業上購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商購買的焊錫品牌。

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相

容性，如果板面和元件引腳上有鉛的話。爲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。工業上正注重開發可替代的電鍍層。例如Alpha Metal 的AlphaLevel閃燃銀電鍍，和Motorola的對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。當使用低溫焊錫時，需要特殊的助焊劑，因爲標準的助焊劑可能在低溫下無活性。和低溫焊錫有關的另一個溫題是由於次共熔溫度下，較低的流動性引起的潤濕特性的減少。

對低溫應用，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，因爲其較好的返工/返修特性。因爲該合金的熔點在118° C(244° F)，返工是在低溫下進行，一般不會引起溫度損壞。如果印刷電路板是鍍金作防氧化用，那麽，含銦焊錫可用來防止金流失。

另一種低熔點無鉛焊錫是58Bi/42Sn。如果我們看看Sn/Bi合金的金相圖，會發現其熔點在138° C。鉍用於焊接合金中以達到低的焊接溫度，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183° C要高很多。如，鋅/錫高溫無鉛焊錫的熔點爲198° C。

高熔點焊錫將和現在廣泛使用的基板材料，如FR-4，不相融合。另外，返工不得不採用高溫，將大大增加對板損壞的可能性。

現時還沒有混入式的無鉛焊錫替代産品，雖然有些供應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400°

C(750° F)，這在某些方面的應用是一個太高的溫度，可能引起潛在的溫度損壞。

還有，在波峰焊接中使用高熔點焊錫的關鍵問題之一是，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/鉛焊錫熔點大約45~65° C。一種熔點爲220° C的無鉛焊錫，要求265~280° C的波峰焊接溫度，這增加了預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/鉛共晶的潤濕性能(擴散性)差，引起不良的焊腳。爲了改善潤濕性能，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(表四中最後一種合金)進行溫度迴圈後，沒有觀察到焊接點完整性的退化。

理想的焊錫熔點應在大約180° C，這樣回流溫度爲210~230° C，波峰爐溫爲235~245° C，手工焊接溫度爲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。

電子工業協會(IPC)的標準，J-STD-006，提供了詳細的錫/鉛和無鉛焊錫的列表。可是，沒有哪一種無鉛焊錫被認定爲混入式的錫/鉛共晶的替代産品。工業還在尋找真正可以替代錫/鉛共晶的正確的無鉛焊錫。這是一個工業必須應付的挑戰。