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线路板装配中的无铅工艺金属及合金选择

在各种候选无铅合金中,锡(Sn)都被用作基底金属,因为它成本很低,货源充足,并具备理想的物理特性,如导电/导热性和润湿性,同时它也是63Sn/37Pb合金的基底金属。通常与锡配合使用的其它金属包括银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、锑(Sb)、铜(Cu)以及铋(Bi)。
  之所以选择这些材料是因为它们与锡组成合金时一般会降低熔点,得到理想的机械、电气和热性能。另外在考察材料的供货能力时,将用量因素加在一起作综合考虑得出的结果会更加清晰,例如现在电子业界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5万吨左右,其中北美地区用量约为1.6万吨,此时只要北美有3%的装配工厂采用含铟20%的锡/铟无铅合金,其铟消耗量就将超过该金属的全球生产能力。
  近5年来业界推出了一系列合金成分建议, 且对这些无铅替代方案进行了评估。备选方案总数超过75个,但是主要方案则可以归纳为不到15个。面对所有候选合金,我们采用一些技术规范将选择缩到一个较小的范围内便于进行挑选。
  铟 铟可能是降低锡合金熔点的最有效成分,同时它还具有非常良好的物理和润湿性质,但是铟非常稀有,因此大规模应用太过昂贵。基于这些原因,含铟合金将被排除在进一步考虑范围之外。虽然铟合金可能在某些特定场合是一个比较好的选择,但就整个业界范围而言则不太合适,另外差分扫描热量测定也显示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔点很低,只有114℃,所以也不太适合某些应用。
  锌 锌非常便宜,几乎与铅的价格相同,并且随时可以得到,同时它在降低锡合金的熔点方面也具有非常高的效率。就锌而言,其主要缺点在于它会与氧气迅速发生反应,形成稳定的氧化物,在波峰焊过程中,这种反应的结果是产生大量锡渣,而更严重的是所形成的稳定氧化物将导致润湿性变得非常差。也许通过惰性化或特种焊剂配方可以克服这些技术障碍,但现在人们要求在更大的工艺范围内对含锌方案进行论证,因此锌合金在今后考虑过程中也会被排除在外。http://www.pcbsb.com/
  铋 铋在降低锡合金固相温度方面作用比较明显,但对液相温度却没有这样的效果,因此可能会造成较大的固液共存温度范围,而凝固温度范围太大将导致焊脚提升。铋具有非常好的润湿性质和较好的物理性质,但铋的主要问题是锡/铋合金遇到铅以后其形成的合金熔点会比较低,而在元件引脚或印刷电路板的焊盘上都会有铅存在,锡/铅/铋的熔点只有96℃,很容易造成焊点断裂。另外铋的供货能力可能会因铅产量受到限制而下降,因为现在铋主要还是从铅的副产品中提炼出来,如果限制使用铅,则铋的产量将会大大减少。尽管我们也能通过直接开采获取铋,但这样成本会比较高。基于这些原因,铋合金也被排除在外。