焊錫絲(線)、焊錫條(棒)、無鉛焊錫的制作流程

焊錫絲(線)、焊錫條(棒)、無鉛焊錫制作流程:

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范，在美國從1978 年起，鉛在消費油畫中的使用已被禁止，其它相關的法規在美國、歐洲和日本正在孕育之中。
表一顯示了鉛在各種產品中的使用量，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。
表一、鉛在產品中的消耗量
產品　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 消耗量(%)
蓄電池　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 80.81
其它氧化物(油畫、玻璃和陶瓷產品、顏料和化學品)　 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、彎頭和其它擠壓成型產品　　　　　　　　　　 0.72
焊錫(非電子焊錫)　　　　　　　　　　　　　　　　 0.70
電子焊錫　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 0.49
其它　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 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，還必須了解考慮作為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于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產量的數據
元素　　　世界用量(噸)　　世界產量(噸)　　 剩余產量(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產品價格時，并不象最初所顯示的那么重要。因為所需的量少，在裝配中，和其它成本因素如：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　　　熔點范圍　　　　　　　說明
48Sn/52In　　　　　　118°C共熔　 低熔點、昂貴、強度低
42Sn/58Bi　　　　　　138°C共熔　 已制定、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。為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AlphaMetal 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，因為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于次共熔溫度下，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，因為其較好的返工/返修特性。因為該合金的熔點在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，那么，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。鉍用于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它合金，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為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，返工不得不采用高溫，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產品，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。一種熔點為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。為了改善潤濕性能，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(表四中最后一種合金)進行溫度循環后，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，這樣回流溫度為210~230° C，波峰爐溫為235~245°C，手工焊接溫度為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為混入式的錫/鉛共晶的替代產品。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。(華達康技術部)