为什(shén)麼(me)要(yào)使用(yòng)無铅(qiān)焊锡(xī)
“即使铅(qiān)的(de)使用(yòng)在(zài)電(diàn)子焊锡(xī)中(zhōng)被(bèi)禁止，也不(bù)会解決全(quán)部的(de)铅(qiān)中(zhōng)毒問(wèn)題(tí)”
磊.普拉薩德(美(měi))
磊.普拉薩德(美(měi))
锡(xī)/铅(qiān)(Tin/Lead)成(chéng)分(fēn)的(de)焊锡(xī)是(shì)電(diàn)子裝(zhuāng)配中(zhōng)最(zuì)常用(yòng)的(de)焊锡(xī)，可(kě)是(shì)，在(zài)去年(nián)，整个(gè)工業出現(xiàn)一(yī)股推動(dòng)力向無铅(qiān)焊锡(xī)轉(zhuǎn)換。其(qí)理(lǐ)由(yóu)是(shì)人(rén)们(men)越来(lái)越了(le)解有(yǒu)关铅(qiān)的(de)使用(yòng)及(jí)其(qí)对(duì)人(rén)類(lèi)健康的(de)不(bù)良影響。
與(yǔ)铅(qiān)有(yǒu)关的(de)健康危害包括神經(jīng)系(xì)統和(hé)生(shēng)育系(xì)統紊亂、神經(jīng)和(hé)身(shēn)體(tǐ)發(fà)育遲緩。铅(qiān)中(zhōng)毒特(tè)别对(duì)年(nián)幼兒童的(de)神經(jīng)發(fà)育有(yǒu)危害。
已有(yǒu)法(fǎ)律来(lái)控制铅(qiān)的(de)使用(yòng)，例如(rú)，铅(qiān)在(zài)铅(qiān)錘、汽油(yóu)和(hé)油(yóu)画(huà)中(zhōng)的(de)使用(yòng)有(yǒu)嚴格的(de)規範，在(zài)美(měi)國(guó)從1978 年(nián)起(qǐ)，铅(qiān)在(zài)消費油(yóu)画(huà)中(zhōng)的(de)使用(yòng)已被(bèi)禁止，其(qí)他(tā)相关的(de)法(fǎ)規在(zài)美(měi)國(guó)、歐洲(zhōu)和(hé)日(rì)本(běn)正(zhèng)在(zài)孕育之(zhī)中(zhōng)。 表(biǎo)一(yī)顯示了(le)铅(qiān)在(zài)各(gè)種(zhǒng)産品中(zhōng)的(de)使用(yòng)量(liàng)，蓄電(diàn)池占铅(qiān)用(yòng)量(liàng)的(de)80%，電(diàn)子焊锡(xī)大(dà)約占所有(yǒu)铅(qiān)用(yòng)量(liàng)的(de)0.5%，即使铅(qiān)在(zài)電(diàn)子焊锡(xī)中(zhōng)的(de)使用(yòng)被(bèi)禁止，也不(bù)能(néng)解決全(quán)部的(de)铅(qiān)中(zhōng)毒問(wèn)題(tí)。可(kě)是(shì)，電(diàn)子焊锡(xī)中(zhōng)的(de)0.5%的(de)铅(qiān)數量(liàng)上(shàng)還(huán)是(shì)可(kě)观的(de)。
表(biǎo)一(yī)、铅(qiān)在(zài)産品中(zhōng)的(de)消耗量(liàng)
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産品
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消耗量(liàng)(%)
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蓄電(diàn)池
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80.81
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其(qí)他(tā)氧化(huà)物(wù)(油(yóu)画(huà)、玻璃和(hé)陶瓷産品、顔料和(hé)化(huà)學(xué)品)
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4.78
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彈藥
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4.69
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铅(qiān)箔紙(zhǐ)
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1.79
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電(diàn)缆(lǎn)覆盖物(wù)
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1.40
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鑄造金(jīn)屬
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1.13
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铜(tóng)錠、铜(tóng)坯
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0.72
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管(guǎn)道(dào)、彎头(tóu)和(hé)其(qí)他(tā)擠压成(chéng)型産品
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0.72
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焊锡(xī)(非(fēi)電(diàn)子焊锡(xī))
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0.70
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電(diàn)子焊锡(xī)
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0.49
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其(qí)他(tā)
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2.77
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代替铅(qiān)的(de)元(yuán)素
電(diàn)子工業正(zhèng)在(zài)尋找(zhǎo)無铅(qiān)焊锡(xī)，能(néng)夠取(qǔ)代普遍(biàn)接受和(hé)廣泛使用(yòng)的(de)锡(xī)/铅(qiān)焊锡(xī)。研究與(yǔ)開(kāi)發(fà)的(de)努力集中(zhōng)在(zài)潛在(zài)的(de)合金(jīn)上(shàng)面(miàn)，这(zhè)種(zhǒng)合金(jīn)要(yào)提(tí)供與(yǔ)锡(xī)/铅(qiān)共(gòng)晶焊锡(xī)相似的(de)物(wù)理(lǐ)、機(jī)械、温(wēn)度(dù)和(hé)電(diàn)气性(xìng)能(néng)。表(biǎo)二(èr)是(shì)可(kě)以(yǐ)取(qǔ)代铅(qiān)的(de)金(jīn)屬及(jí)其(qí)相对(duì)成(chéng)本(běn)。
表(biǎo)二(èr)、替代铅(qiān)的(de)材料及(jí)其(qí)相对(duì)價格
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铅(qiān)的(de)替代元(yuán)素
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相对(duì)價格
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铅(qiān)(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(tóng)(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(xī) (Sn)
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6.4
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鋅(Zn)
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1.3
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除了(le)成(chéng)本(běn)之(zhī)外(wài)，還(huán)必須了(le)解考慮作(zuò)爲铅(qiān)替代的(de)元(yuán)素的(de)供需情(qíng)況。如(rú)表(biǎo)三(sān)所示，含铋合金(jīn)從可(kě)利用(yòng)資源的(de)出發(fà)點(diǎn)上(shàng)是(shì)無希望的(de)，現(xiàn)在(zài)可(kě)利用(yòng)得铋供應(yìng)可(kě)能(néng)被(bèi)全(quán)部用(yòng)完，如(rú)果(guǒ)将此(cǐ)合金(jīn)廣泛用(yòng)于(yú)正(zhèng)在(zài)蓬勃發(fà)展(zhǎn)的(de)電(diàn)子工業。
表(biǎo)三(sān)、美(měi)國(guó)礦産局(jú)有(yǒu)关不(bù)同(tóng)元(yuán)素的(de)世界用(yòng)量(liàng)及(jí)産量(liàng)的(de)資料
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元(yuán)素
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世界用(yòng)量(liàng)(吨(dūn))
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世界産量(liàng)(吨(dūn))
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剩餘産量(liàng)(吨(dūn))
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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：現(xiàn)在(zài)世界焊锡(xī)消耗量(liàng) = 60,000 吨(dūn)，或(huò) 6,600,000 升(shēng)
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從表(biǎo)二(èr)所顯示的(de)潛在(zài)替代金(jīn)屬的(de)相对(duì)價格看(kàn)，很明(míng)顯，許多(duō)無铅(qiān)焊锡(xī)将比其(qí)替代的(de)锡(xī)/铅(qiān)焊锡(xī)貴得多(duō)。例如(rú)，铟(In)是(shì)用(yòng)来(lái)取(qǔ)代铅(qiān)的(de)主要(yào)元(yuán)素之(zhī)一(yī)，但它(tā)是(shì)一(yī)種(zhǒng)次(cì)貴重(zhòng)金(jīn)屬，幾(jǐ)乎和(hé)银一(yī)樣(yàng)貴。可(kě)是(shì)應(yìng)該注意(yì)，所建议的(de)焊锡(xī)合金(jīn)的(de)高(gāo)成(chéng)本(běn)在(zài)決定(dìng)最(zuì)終(zhōng)産品價格时(shí)，並(bìng)不(bù)象(xiàng)最(zuì)初所顯示的(de)那(nà)麽重(zhòng)要(yào)。因(yīn)爲所需的(de)量(liàng)少(shǎo)，在(zài)裝(zhuāng)配中(zhōng)，和(hé)其(qí)他(tā)成(chéng)本(běn)因(yīn)素如(rú)：元(yuán)件(jiàn)、電(diàn)路(lù)闆及(jí)裝(zhuāng)配相比，焊锡(xī)成(chéng)本(běn)幾(jǐ)乎不(bù)重(zhòng)要(yào)。所選合金(jīn)的(de)性(xìng)能(néng)是(shì)非(fēi)常重(zhòng)要(yào)的(de)。
無铅(qiān)焊锡(xī)及(jí)其(qí)特(tè)性(xìng)
和(hé)温(wēn)度(dù)、機(jī)械、蠕變(biàn)、疲勞特(tè)性(xìng)一(yī)樣(yàng)，熔化(huà)温(wēn)度(dù)點(diǎn)是(shì)最(zuì)重(zhòng)要(yào)的(de)焊锡(xī)特(tè)性(xìng)之(zhī)一(yī)。表(biǎo)四(sì)提(tí)供了(le)現(xiàn)时(shí)能(néng)買(mǎi)到(dào)的(de)無铅(qiān)焊锡(xī)一(yī)覽表(biǎo)。
表(biǎo)四(sì)、無铅(qiān)焊锡(xī)及(jí)其(qí)特(tè)性(xìng)
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無铅(qiān)焊锡(xī)化(huà)學(xué)成(chéng)份
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熔點(diǎn)範圍
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说(shuō)明(míng)
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48Sn/52In
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118° C 共(gòng)熔
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低(dī)熔點(diǎn)、昂貴、強(qiáng)度(dù)低(dī)
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42Sn/58Bi
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138° C 共(gòng)熔
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已制定(dìng)、Bi的(de)可(kě)利用(yòng)关注
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91Sn/9Zn
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199° C 共(gòng)熔
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渣多(duō)、潛在(zài)腐蝕性(xìng)
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93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu
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218° C 共(gòng)熔
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高(gāo)強(qiáng)度(dù)、很好(hǎo)的(de)温(wēn)度(dù)疲勞特(tè)性(xìng)
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95.5Sn/3.5Ag/1Zn
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218~221° C
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高(gāo)強(qiáng)度(dù)、好(hǎo)的(de)温(wēn)度(dù)疲勞特(tè)性(xìng)
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99.3Sn/0.7Cu
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227° C
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高(gāo)強(qiáng)度(dù)、高(gāo)熔點(diǎn)
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95Sn/5Sb
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232~240° C
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好(hǎo)的(de)剪切(qiè)強(qiáng)度(dù)和(hé)温(wēn)度(dù)疲勞特(tè)性(xìng)
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65Sn/25Ag/10Sb
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233° C
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摩托羅拉專利、高(gāo)強(qiáng)度(dù)
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97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag
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226~228° C
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高(gāo)熔點(diǎn)
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96.5Sn/3.5Ag
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221° C 共(gòng)熔
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高(gāo)強(qiáng)度(dù)、高(gāo)熔點(diǎn)
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應(yìng)該注意(yì)到(dào)，無铅(qiān)焊锡(xī)的(de)化(huà)學(xué)成(chéng)份還(huán)正(zhèng)在(zài)優化(huà)，以(yǐ)达(dá)到(dào)所希望的(de)特(tè)性(xìng)。表(biǎo)四(sì)中(zhōng)的(de)焊锡(xī)化(huà)學(xué)成(chéng)份可(kě)能(néng)在(zài)商業上(shàng)購買(mǎi)的(de)焊锡(xī)中(zhōng)有(yǒu)稍微的(de)不(bù)同(tóng)。例如(rú)，表(biǎo)五(wǔ)顯示了(le)一(yī)些(xiē)從不(bù)同(tóng)的(de)供應(yìng)商購買(mǎi)的(de)焊锡(xī)品牌(pái)。
表(biǎo)五(wǔ)、不(bù)同(tóng)供應(yìng)商的(de)無铅(qiān)焊锡(xī)
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焊锡(xī)名(míng)稱
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化(huà)學(xué)成(chéng)份
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熔點(diǎn)
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说(shuō)明(míng)
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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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潛在(zài)的(de)In/Pb不(bù)兼容性(xìng)，要(yào)求对(duì) PCB 焊盤和(hé)元(yuán)件(jiàn)引腳(jiǎo)無铅(qiān)電(diàn)鍍
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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(wēn)度(dù)太高(gāo)，要(yào)求260°C以(yǐ)上(shàng)的(de)波(bō)峰(fēng)焊温(wēn)度(dù)
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Tin/Zinc/Indium
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81Sn/9Zn/10In
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178°C
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潛在(zài)的(de)In/Pb不(bù)兼容性(xìng)，要(yào)求对(duì)PCB焊盤和(hé)元(yuán)件(jiàn)引腳(jiǎo)無铅(qiān)電(diàn)鍍
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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(wēn)度(dù)太高(gāo)，要(yào)求260°C以(yǐ)上(shàng)的(de)波(bō)峰(fēng)焊温(wēn)度(dù)
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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(wēn)度(dù)太高(gāo)，要(yào)求260°C以(yǐ)上(shàng)的(de)波(bō)峰(fēng)焊温(wēn)度(dù)
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含有(yǒu)高(gāo)量(liàng)铟(In)的(de)無铅(qiān)焊锡(xī)(如(rú)表(biǎo)五(wǔ)中(zhōng)第(dì)一(yī)種(zhǒng)合金(jīn))有(yǒu)潛在(zài)的(de)铟和(hé)铅(qiān)的(de)不(bù)兼容性(xìng)，如(rú)果(guǒ)闆面(miàn)和(hé)元(yuán)件(jiàn)引腳(jiǎo)上(shàng)有(yǒu)铅(qiān)的(de)話(huà)。爲了(le)得到(dào)真(zhēn)正(zhèng)的(de)無铅(qiān)工藝，如(rú)果(guǒ)使用(yòng)含铟合金(jīn)，則可(kě)能(néng)有(yǒu)必要(yào)在(zài)PCB上(shàng)使用(yòng)無铅(qiān)表(biǎo)面(miàn)處(chù)理(lǐ)。工業上(shàng)正(zhèng)注重(zhòng)開(kāi)發(fà)可(kě)替代的(de)電(diàn)鍍层。例如(rú)Alpha Metal 的(de)AlphaLevel閃燃银電(diàn)鍍，和(hé)Motorola的(de)对(duì)闆层和(hé)元(yuán)件(jiàn)引腳(jiǎo)的(de)锡(xī)/铋電(diàn)鍍。
從表(biǎo)四(sì)我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)看(kàn)到(dào)，無铅(qiān)焊锡(xī)要(yào)不(bù)比锡(xī)/铅(qiān)共(gòng)晶合金(jīn)的(de)熔點(diǎn)低(dī)很多(duō)，要(yào)不(bù)高(gāo)很多(duō)。表(biǎo)五(wǔ)所示大(dà)都是(shì)较高(gāo)温(wēn)度(dù)的(de)無铅(qiān)焊锡(xī)。當使用(yòng)低(dī)温(wēn)焊锡(xī)时(shí)，需要(yào)特(tè)殊的(de)助焊劑，因(yīn)爲标(biāo)準的(de)助焊劑可(kě)能(néng)在(zài)低(dī)温(wēn)下(xià)無活性(xìng)。和(hé)低(dī)温(wēn)焊锡(xī)有(yǒu)关的(de)另一(yī)个(gè)温(wēn)題(tí)是(shì)由(yóu)于(yú)次(cì)共(gòng)熔温(wēn)度(dù)下(xià)，较低(dī)的(de)流動(dòng)性(xìng)引起(qǐ)的(de)潤湿(shī)特(tè)性(xìng)的(de)减少(shǎo)。
对(duì)低(dī)温(wēn)應(yìng)用(yòng)，含铟焊锡(xī)正(zhèng)得到(dào)接受。一(yī)些(xiē)公(gōng)司正(zhèng)使用(yòng)一(yī)種(zhǒng)52In/48Sn的(de)含铟焊锡(xī)，因(yīn)爲其(qí)较好(hǎo)的(de)返工/返修特(tè)性(xìng)。因(yīn)爲該合金(jīn)的(de)熔點(diǎn)在(zài)118° C(244° F)，返工是(shì)在(zài)低(dī)温(wēn)下(xià)進(jìn)行，一(yī)般不(bù)会引起(qǐ)温(wēn)度(dù)損壞。如(rú)果(guǒ)印(yìn)刷電(diàn)路(lù)闆是(shì)鍍金(jīn)作(zuò)防氧化(huà)用(yòng)，那(nà)麽，含铟焊锡(xī)可(kě)用(yòng)来(lái)防止金(jīn)流失。
另一(yī)種(zhǒng)低(dī)熔點(diǎn)無铅(qiān)焊锡(xī)是(shì)58Bi/42Sn。如(rú)果(guǒ)我(wǒ)们(men)看(kàn)看(kàn)Sn/Bi合金(jīn)的(de)金(jīn)相图，会發(fà)現(xiàn)其(qí)熔點(diǎn)在(zài)138° C。铋用(yòng)于(yú)焊接合金(jīn)中(zhōng)以(yǐ)达(dá)到(dào)低(dī)的(de)焊接温(wēn)度(dù)，但該合金(jīn)一(yī)般顯示出差的(de)液化(huà)特(tè)性(xìng)。
表(biǎo)四(sì)中(zhōng)列出的(de)許多(duō)其(qí)他(tā)合金(jīn)，比锡(xī)/铅(qiān)共(gòng)晶的(de)熔點(diǎn)183° C要(yào)高(gāo)很多(duō)。如(rú)，鋅/锡(xī)高(gāo)温(wēn)無铅(qiān)焊锡(xī)的(de)熔點(diǎn)爲198° C。
高(gāo)熔點(diǎn)焊锡(xī)将和(hé)現(xiàn)在(zài)廣泛使用(yòng)的(de)基闆材料，如(rú)FR-4，不(bù)相融合。另外(wài)，返工不(bù)得不(bù)采用(yòng)高(gāo)温(wēn)，将大(dà)大(dà)增加对(duì)闆損壞的(de)可(kě)能(néng)性(xìng)。
現(xiàn)时(shí)還(huán)沒(méi)有(yǒu)混入(rù)式的(de)無铅(qiān)焊锡(xī)替代産品，雖(suī)然有(yǒu)些(xiē)供應(yìng)商把(bǎ)他(tā)们(men)的(de)焊锡(xī)描述成(chéng)“幾(jǐ)乎混入(rù)式的(de)”。甚至(zhì)这(zhè)些(xiē)要(yào)求返工的(de)焊接烙铁(tiě)的(de)温(wēn)度(dù)高(gāo)达(dá)400° C(750° F)，这(zhè)在(zài)某些(xiē)方(fāng)面(miàn)的(de)應(yìng)用(yòng)是(shì)一(yī)个(gè)太高(gāo)的(de)温(wēn)度(dù)，可(kě)能(néng)引起(qǐ)潛在(zài)的(de)温(wēn)度(dù)損壞。
還(huán)有(yǒu)，在(zài)波(bō)峰(fēng)焊接中(zhōng)使用(yòng)高(gāo)熔點(diǎn)焊锡(xī)的(de)关鍵問(wèn)題(tí)之(zhī)一(yī)是(shì)，增加電(diàn)容斷裂的(de)可(kě)能(néng)性(xìng)。波(bō)峰(fēng)焊接温(wēn)度(dù)需要(yào)保持(chí)在(zài)大(dà)約230~245° C，高(gāo)过(guò)锡(xī)/铅(qiān)焊锡(xī)熔點(diǎn)大(dà)約45~65° C。一(yī)種(zhǒng)熔點(diǎn)爲220° C的(de)無铅(qiān)焊锡(xī)，要(yào)求265~280° C的(de)波(bō)峰(fēng)焊接温(wēn)度(dù)，这(zhè)增加了(le)預热(rè)和(hé)波(bō)峰(fēng)之(zhī)間(jiān)的(de)温(wēn)度(dù)差，增加了(le)電(diàn)容斷裂的(de)可(kě)能(néng)性(xìng)。
一(yī)般来(lái)说(shuō)，幾(jǐ)乎所有(yǒu)的(de)無铅(qiān)焊锡(xī)都比锡(xī)/铅(qiān)共(gòng)晶的(de)潤湿(shī)性(xìng)能(néng)(擴散(sàn)性(xìng))差，引起(qǐ)不(bù)良的(de)焊腳(jiǎo)。爲了(le)改善潤湿(shī)性(xìng)能(néng)，要(yào)求特(tè)别的(de)助焊劑配方(fāng)。無铅(qiān)焊锡(xī)的(de)疲勞特(tè)性(xìng)也不(bù)太好(hǎo)，雖(suī)能(néng)在(zài)一(yī)份研究中(zhōng)，用(yòng)高(gāo)温(wēn)95.6Sn/3.5Ag(表(biǎo)四(sì)中(zhōng)最(zuì)後(hòu)一(yī)種(zhǒng)合金(jīn))進(jìn)行温(wēn)度(dù)循环(huán)後(hòu)，沒(méi)有(yǒu)观察到(dào)焊接點(diǎn)完整性(xìng)的(de)退(tuì)化(huà)。
理(lǐ)想(xiǎng)的(de)焊锡(xī)熔點(diǎn)應(yìng)在(zài)大(dà)約180° C，这(zhè)樣(yàng)回(huí)流温(wēn)度(dù)爲210~230° C，波(bō)峰(fēng)爐温(wēn)爲235~245° C，手(shǒu)工焊接温(wēn)度(dù)爲345~400° C(650~700° F)。只(zhī)有(yǒu)很熟練的(de)操作(zuò)員才可(kě)以(yǐ)操作(zuò)更(gèng)高(gāo)的(de)手(shǒu)工焊接温(wēn)度(dù)，而(ér)避免温(wēn)度(dù)損壞。
電(diàn)子工業協会(IPC)的(de)标(biāo)準，J-STD-006，提(tí)供了(le)详细(xì)的(de)锡(xī)/铅(qiān)和(hé)無铅(qiān)焊锡(xī)的(de)列表(biǎo)。可(kě)是(shì)，沒(méi)有(yǒu)哪一(yī)種(zhǒng)無铅(qiān)焊锡(xī)被(bèi)认定(dìng)爲混入(rù)式的(de)锡(xī)/铅(qiān)共(gòng)晶的(de)替代産品。工業還(huán)在(zài)尋找(zhǎo)真(zhēn)正(zhèng)可(kě)以(yǐ)替代锡(xī)/铅(qiān)共(gòng)晶的(de)正(zhèng)确的(de)無铅(qiān)焊锡(xī)。这(zhè)是(shì)一(yī)个(gè)工業必須應(yìng)付的(de)挑戰。三(sān)来(lái)電(diàn)子www.sc-jinying.com提(tí)供！
