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為什麼要使用無鉛焊錫
為什麼要使用無鉛焊錫
“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了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，蓄電池佔鉛用量的80% ，電子焊錫大約佔所有鉛用量的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。
表一、鉛在産品中的消耗量
| 産品 | 消耗量(%) |
|---|---|
| 蓄電池 | 80.81 |
| 其他氧化物(油畫、玻璃和陶瓷産品、顔料和化學品) | 4.78 |
| 彈藥 | 4.69 |
| 鉛箔紙 | 1.79 |
| 電纜覆蓋物 | 1.40 |
| 鑄造金屬 | 1.13 |
| 銅錠、銅坯 | 0.72 |
| 管道、彎頭和其他擠壓成型産品 | 0.72 |
| 焊錫(非電子焊錫) | 0.70 |
| 電子焊錫 | 0.49 |
| 其他 | 2.77 |
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。
表二、替代鉛的材料及其相對價格
| 鉛的替代元素 | 相對價格 |
|---|---|
| 鉛(參考值) | 1 |
| 銻(Sb) | 2.2 |
| 鉍(Bi) | 7.1 |
| 銅(Cu) | 2.5 |
| 銦(In) | 194 |
| 銀(Ag) | 212 |
| 錫 (Sn) | 6.4 |
| 鋅(Zn) | 1.3 |
除了成本之外，還必須了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。
表三、美國礦產局有關不同元素的世界用量及産量的資料
| 元素 | 世界用量(噸) | 世界産量(噸) | 剩餘産量(噸) |
|---|---|---|---|
| Ag | 13,500 | 15,000 | 1,500 |
| Bi | 4,000 | 8,000 | 4,000 |
| Cu | 8,000,000 | 10,200,000 | 2,200,000 |
| In | 80 to 100 | 200 | 100 |
| Sb | 78,200 | 122,300 | 44,100 |
| Sn | 160,000 | 241,000 | 81,000 |
| Zn | 6,900,000 | 7,600,000 | 700,000 |
| 注：現在世界焊錫消耗量 = 60,000 噸，或 6,600,000 升 |
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，並不像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。
表四、無鉛焊錫及其特性
| 無鉛焊錫化學成份 | 熔點範圍 | 說明 |
|---|---|---|
| 48Sn/52In | 118° C 共熔 | 低熔點、昂貴、強度低 |
| 42Sn/58Bi | 138° C 共熔 | 已製定、Bi的可利用關注 |
| 91Sn/9Zn | 199° C 共熔 | 渣多、潛在腐蝕性 |
| 93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu | 218° C 共熔 | 高強度、很好的溫度疲勞特性 |
| 95.5Sn/3.5Ag/1Zn | 218~221° C | 高強度、好的溫度疲勞特性 |
| 99.3Sn/0.7Cu | 227° C | 高強度、高熔點 |
| 95Sn/5Sb | 232~240° C | 好的剪切強度和溫度疲勞特性 |
| 65Sn/25Ag/10Sb | 233° C | 摩托羅拉專利、高強度 |
| 97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag | 226~228° C | 高熔點 |
| 96.5Sn/3.5Ag | 221° C 共熔 | 高強度、高熔點 |
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。
表五、不同供應商的無鉛焊錫
| 焊錫名稱 | 化學成份 | 熔點 | 說明 |
|---|---|---|---|
| Indalloy 227 | 77.2Sn/20In/2.8Ag | 187°C | 潛在的In/Pb不兼容性，要求對 PCB 焊盤和元件引腳無鉛電鍍 |
| Alloy H | 84.5Sn/7.5Bi/5Cu/2Ag | 212°C | 液態溫度太高，要求260°C以上的波峰焊溫度 |
| Tin/Zinc/Indium | 81Sn/9Zn/10In | 178°C | 潛在的In/Pb不兼容性，要求對PCB焊盤和元件引腳無鉛電鍍 |
| Castin | 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.55Sb | 215°C | 液態溫度太高，要求260°C以上的波峰焊溫度 |
| Tin/Silver/Copper | 93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu | 217°C | 液態溫度太高，要求260°C以上的波峰焊溫度 |
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)進行溫度循環後，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。