无铅焊锡制程分析

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，其它相关的法规在美国、欧洲和日本正在孕育之中。 表一显示了铅在各种产品中的使用量，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、铅在产品中的消耗量
产品　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 消耗量(%)
蓄电池　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 80.81
其它氧化物(油画、玻璃和陶瓷产品、颜料和化学品)　 4.78
弹药　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 4.69
铅箔纸　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1.79
电缆覆盖物　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1.40
铸造金属　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1.13
铜锭、铜坯　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 0.72
管道、弯头和其它挤压成型产品　　　　　　　　　　 0.72
焊锡(非电子焊锡)　　　　　　　　　　　　　　　　 0.70
电子焊锡　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 0.49
其它　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2.77

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
铅的替代元素　　　　　　相对价格
铅(参考值)　　　　　　　　1
锑(Sb)　　　　　　　　　　2.2
铋(Bi)　　　　　　　　　　7.1
铜(Cu)　　　　　　　　　　2.5
铟(In)　　　　　　　　　　194
银(Ag)　　　　　　　　　　212
锡 (Sn)　　　　　　　　　 6.4
锌(Zn)　　　　　　　　　　1.3
除了成本之外，还必须了解考虑作为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产量的数据
元素　　　世界用量(吨)　　世界产量(吨)　　 剩余产量(吨)
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：现在世界焊锡消耗量 = 60,000 吨，或 6,600,000 升

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产品价格时，并不象最初所显示的那么重要。因为所需的量少，在装配中，和其它成本因素如：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
无铅焊锡化学成份　　　熔点范围　　　　　　　说明
48Sn/52In　　　　　　118°C共熔　 低熔点、昂贵、强度低
42Sn/58Bi　　　　　　138°C共熔　 已制定、Bi的可利用关注
91Sn/9Zn　　　　　　 199°C共熔　 渣多、潜在腐蚀性
93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu 218°C共熔　 高强度、很好的温度疲劳特性
95.5Sn/3.5Ag/1Zn　　 218~221°C　 高强度、好的温度疲劳特性
99.3Sn/0.7Cu　　　　 227°C　　　 高强度、高熔点
95Sn/5Sb　　　　　　 232~240°C　 好的剪切强度和温度疲劳特性
65Sn/25Ag/10Sb　　　 233°C　　　 摩托罗拉专利、高强度
97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag 226~228°C　 高熔点
96.5Sn/3.5Ag　　　　 221°C　　　 共熔 高强度、高熔点

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
焊锡名称　　　　化学成份　　　　　　　　熔点　　　 说明
Indalloy 227　　77.2Sn/20In/2.8Ag　　　 187°C　　 潜在的In/Pb不兼容性，要求对 PCB 焊盘和元件引脚无铅电镀　
Alloy H　　　　 84.5Sn/7.5Bi/5Cu/2Ag　　212°C　　 液态温度太高，要求260°C以上的波峰焊温度　
Tin/Zinc/Indium 81Sn/9Zn/10In　　　　　 178°C　　 潜在的In/Pb不兼容性，要求对PCB焊盘和元件引脚无铅电镀　
Castin　　　　　96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.55Sb　215°C　液态温度太高，要求260°C以上的波峰焊温度　
Tin/Silver/Copper　93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu　 217°C　　 液态温度太高，要求260°C以上的波峰焊温度　
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。为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，因为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，因为其较好的返工/返修特性。因为该合金的熔点在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，那么，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它合金，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为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产品，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。一种熔点为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。为了改善润湿性能，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，这样回流温度为210~230° C，波峰炉温为235~245° C，手工焊接温度为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为混入式的锡/铅共晶的替代产品。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。

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