为什么要使用无铅焊锡
“即使铅的使用在电子焊锡中被禁止，也不会解决全部的铅中毒问题”
磊.普拉萨德(美)
磊.普拉萨德(美)
锡/铅(Tin/Lead)成分的焊锡是电子装配中最常用的焊锡，可是，在去年，整个工业出现一股推动力向无铅焊锡转换。其理由是人们越来越了解有关铅的使用及其对人类健康的不良影响。
与铅有关的健康危害包括神经系统和生育系统紊乱、神经和身体发育迟缓。铅中毒特别对年幼儿童的神经发育有危害。
已有法律来控制铅的使用，例如，铅在铅锤、汽油和油画中的使用有严格的规范，在美国从1978 年起，铅在消费油画中的使用已被禁止，其他相关的法规在美国、欧洲和日本正在孕育之中。 表一显示了铅在各种産品中的使用量，蓄电池占铅用量的80%，电子焊锡大约占所有铅用量的0.5%，即使铅在电子焊锡中的使用被禁止，也不能解决全部的铅中毒问题。可是，电子焊锡中的0.5%的铅数量上还是可观的。
表一、铅在産品中的消耗量
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産品
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消耗量(%)
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蓄电池
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80.81
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其他氧化物(油画、玻璃和陶瓷産品、顔料和化学品)
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4.78
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弹药
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4.69
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铅箔纸
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1.79
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电缆覆盖物
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1.40
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铸造金属
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1.13
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铜锭、铜坯
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0.72
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管道、弯头和其他挤压成型産品
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0.72
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焊锡(非电子焊锡)
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0.70
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电子焊锡
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0.49
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其他
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2.77
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代替铅的元素
电子工业正在寻找无铅焊锡，能够取代普遍接受和广泛使用的锡/铅焊锡。研究与开发的努力集中在潜在的合金上面，这种合金要提供与锡/铅共晶焊锡相似的物理、机械、温度和电气性能。表二是可以取代铅的金属及其相对成本。
表二、替代铅的材料及其相对价格
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铅的替代元素
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相对价格
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铅(参考值)
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1
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锑(Sb)
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2.2
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铋(Bi)
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7.1
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铜(Cu)
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2.5
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铟(In)
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194
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银(Ag)
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212
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锡 (Sn)
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6.4
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锌(Zn)
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1.3
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除了成本之外，还必须了解考虑作爲铅替代的元素的供需情况。如表三所示，含铋合金从可利用资源的出发点上是无希望的，现在可利用得铋供应可能被全部用完，如果将此合金广泛用于正在蓬勃发展的电子工业。
表三、美国矿产局有关不同元素的世界用量及産量的资料
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元素
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世界用量(吨)
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世界産量(吨)
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剩余産量(吨)
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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：现在世界焊锡消耗量 = 60,000 吨，或 6,600,000 升
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从表二所显示的潜在替代金属的相对价格看，很明显，许多无铅焊锡将比其替代的锡/铅焊锡贵得多。例如，铟(In)是用来取代铅的主要元素之一，但它是一种次贵重金属，几乎和银一样贵。可是应该注意，所建议的焊锡合金的高成本在决定最终産品价格时，并不象最初所显示的那麽重要。因爲所需的量少，在装配中，和其他成本因素如：元件、电路板及装配相比，焊锡成本几乎不重要。所选合金的性能是非常重要的。
无铅焊锡及其特性
和温度、机械、蠕变、疲劳特性一样，熔化温度点是最重要的焊锡特性之一。表四提供了现时能买到的无铅焊锡一览表。
表四、无铅焊锡及其特性
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无铅焊锡化学成份
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熔点范围
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说明
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48Sn/52In
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118° C 共熔
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低熔点、昂贵、强度低
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42Sn/58Bi
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138° C 共熔
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已制定、Bi的可利用关注
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91Sn/9Zn
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199° C 共熔
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渣多、潜在腐蚀性
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93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu
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218° C 共熔
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高强度、很好的温度疲劳特性
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95.5Sn/3.5Ag/1Zn
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218~221° C
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高强度、好的温度疲劳特性
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99.3Sn/0.7Cu
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227° C
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高强度、高熔点
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95Sn/5Sb
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232~240° C
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好的剪切强度和温度疲劳特性
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65Sn/25Ag/10Sb
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233° C
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摩托罗拉专利、高强度
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97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag
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226~228° C
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高熔点
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96.5Sn/3.5Ag
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221° C 共熔
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高强度、高熔点
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应该注意到，无铅焊锡的化学成份还正在优化，以达到所希望的特性。表四中的焊锡化学成份可能在商业上购买的焊锡中有稍微的不同。例如，表五显示了一些从不同的供应商购买的焊锡品牌。
表五、不同供应商的无铅焊锡
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焊锡名称
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化学成份
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熔点
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说明
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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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潜在的In/Pb不兼容性，要求对 PCB 焊盘和元件引脚无铅电镀
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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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液态温度太高，要求260°C以上的波峰焊温度
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Tin/Zinc/Indium
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81Sn/9Zn/10In
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178°C
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潜在的In/Pb不兼容性，要求对PCB焊盘和元件引脚无铅电镀
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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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液态温度太高，要求260°C以上的波峰焊温度
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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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液态温度太高，要求260°C以上的波峰焊温度
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含有高量铟(In)的无铅焊锡(如表五中第一种合金)有潜在的铟和铅的不兼容性，如果板面和元件引脚上有铅的话。爲了得到真正的无铅工艺，如果使用含铟合金，则可能有必要在PCB上使用无铅表面处理。工业上正注重开发可替代的电镀层。例如Alpha Metal 的AlphaLevel闪燃银电镀，和Motorola的对板层和元件引脚的锡/铋电镀。
从表四我们可以看到，无铅焊锡要不比锡/铅共晶合金的熔点低很多，要不高很多。表五所示大都是较高温度的无铅焊锡。当使用低温焊锡时，需要特殊的助焊剂，因爲标准的助焊剂可能在低温下无活性。和低温焊锡有关的另一个温题是由于次共熔温度下，较低的流动性引起的润湿特性的减少。
对低温应用，含铟焊锡正得到接受。一些公司正使用一种52In/48Sn的含铟焊锡，因爲其较好的返工/返修特性。因爲该合金的熔点在118° C(244° F)，返工是在低温下进行，一般不会引起温度损坏。如果印刷电路板是镀金作防氧化用，那麽，含铟焊锡可用来防止金流失。
另一种低熔点无铅焊锡是58Bi/42Sn。如果我们看看Sn/Bi合金的金相图，会发现其熔点在138° C。铋用于焊接合金中以达到低的焊接温度，但该合金一般显示出差的液化特性。
表四中列出的许多其他合金，比锡/铅共晶的熔点183° C要高很多。如，锌/锡高温无铅焊锡的熔点爲198° C。
高熔点焊锡将和现在广泛使用的基板材料，如FR-4，不相融合。另外，返工不得不采用高温，将大大增加对板损坏的可能性。
现时还没有混入式的无铅焊锡替代産品，虽然有些供应商把他们的焊锡描述成“几乎混入式的”。甚至这些要求返工的焊接烙铁的温度高达400° C(750° F)，这在某些方面的应用是一个太高的温度，可能引起潜在的温度损坏。
还有，在波峰焊接中使用高熔点焊锡的关键问题之一是，增加电容断裂的可能性。波峰焊接温度需要保持在大约230~245° C，高过锡/铅焊锡熔点大约45~65° C。一种熔点爲220° C的无铅焊锡，要求265~280° C的波峰焊接温度，这增加了预热和波峰之间的温度差，增加了电容断裂的可能性。
一般来说，几乎所有的无铅焊锡都比锡/铅共晶的润湿性能(扩散性)差，引起不良的焊脚。爲了改善润湿性能，要求特别的助焊剂配方。无铅焊锡的疲劳特性也不太好，虽能在一份研究中，用高温95.6Sn/3.5Ag(表四中最后一种合金)进行温度循环后，没有观察到焊接点完整性的退化。
理想的焊锡熔点应在大约180° C，这样回流温度爲210~230° C，波峰炉温爲235~245° C，手工焊接温度爲345~400° C(650~700° F)。只有很熟练的操作员才可以操作更高的手工焊接温度，而避免温度损坏。
电子工业协会(IPC)的标准，J-STD-006，提供了详细的锡/铅和无铅焊锡的列表。可是，没有哪一种无铅焊锡被认定爲混入式的锡/铅共晶的替代産品。工业还在寻找真正可以替代锡/铅共晶的正确的无铅焊锡。这是一个工业必须应付的挑战。三来电子www.sunrisesr.com提供！
