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无铅焊料和有铅焊料对比

文章来源;爱博体育官网----发布日期:2018-05-15 作者:admin 点击:

焊料从发明到使用,已有几千年的历史。Sn/Pb焊料以其优异的性能和低廉的成本,一直得到人们的重用,现已成为电子组装焊接中的主要焊接材料。但是,铅及其化合物属于有毒物质,长期使用会给人类生活环境和安全带来较大的危害。从保护地球村环境和人类的安全出发,限制使用甚至禁止使用有铅焊料的呼声越来越强烈,这种具有悠久应用历史的Sn/Pb焊料,将逐渐被新的绿色焊料所替代,在进入二十一世纪时,这将成为可能。  
  
1. 人体通过呼吸,进食,皮肤吸收等都有可能吸收铅或其化合物,铅被人体器官摄取后,将抑制蛋白质的正常合成功能,危害人体中枢神经,造成精神混乱、呆滞、生殖功能障碍、贫血、高血压等慢性疾病。铅对儿童的危害更大,会影响智商和正常发育。  
 
2. 电子工业中大量使用的Sn/Pb合金焊料是造成污染的重要来源之一,在制造和使用Sn/Pb焊料的过程中,由于熔化温度较高,有大量的铅蒸气逸出,将直接严重影响操作人员的身体健康。波峰焊设备在工作中产生的大量的富铅焊料废渣,对人类生态环境污染极大。近年来有关地下水中铅的污染更引起人们的关注,除了废弃的蓄电池大量含铅外,丢弃的各种电子产品PCB上所含的铅也不容忽视。以美国为例,每年随电子产品丢弃的PCB约一亿块,按每块含Sn/Pb焊料10克,其中铅含量为40%计算,每年随PCB丢弃的铅量即为400吨。当下雨时这些铅变成溶于水的盐类,逐渐溶解污染水,特别是在遇酸雨时,雨中所含的硝酸和盐酸,更促使铅的溶解。对于饮用地下水的人们,随着时间的延长,铅在人体内的积累,就会引起铅中毒。 

3. 此外,随着微细间距器件的发展,组装密度愈来愈高,焊点愈来愈小,而其所承载的力学、电学和热学负荷则愈来愈重,对可靠性要求日益提高,但传统的Sn/Pb合金的抗蠕变性差,不能满足近代电子工业对可靠性的要求。因此,无铅焊料的开发和应用,不仅对环境保护有利,而且还担负着提高电子产品质量的重要任务。 
4. 近几年来有关无铅焊料的研究工作发展很快,世界上各大著名公司、国家实验室和研究院所都投入了相当的力量开展无铅焊料的研究。国内外的已有的研究成果表明,最有可能替代Sn/Pb焊料的无毒合金是Sn基合金。无铅焊料主要以Sn为主,添加A g 、Zn 、Cu 、Sb、Bi 、In等金属元素。通过焊料合金化来改善合金性能,提高可焊性。由于Sn—In系合金蠕变性差,In极易氧化,且成本太高;Sn—Sb系合金润湿性差,Sb还稍具毒性,这两种合金体系的开发和应用较少。实际上二元系合金要做成为能满足各种特性的基本材料是不完善的,目前最常见的无铅焊料主要是以Sn—A g 、Sn—Zn、Sn—Bi为基体,在其中添加适量的其它金属元素所组成的三元合金和多元合金。如果单纯考虑可焊性,能替代Sn/Pb共晶焊料的无铅焊料很多,如下表所示。   
5. 综观Sn—A g 、Sn—Zn、Sn—Bi三个体系无铅焊料,与Sn—Pb共晶焊料相比,各有优缺点。Sn—A g系焊料,具有优良的机械性能,拉伸强度,蠕变特性及耐热老化性都比Sn—Pb共晶焊料优越,延展性比Sn/Pb共晶焊料稍差,但不存延展性随时间加长而劣化的问题。Sn—A g系焊料,熔点偏高,通常比Sn—Pb共晶焊料要高30—40℃,润湿性差,而且成本高。熔点和成本是Sn—A g系焊料存在的主要问题。Sn—Zn系焊料,机械性能好,拉伸强度比Sn—Pb共晶焊料好,与Sn—Pb焊料一样,可以拉制成线材使用;具有良好的蠕变特性,变形速度慢,至断裂的时间长。该体系最大的缺点是Zn极易氧化,润湿性和稳定性差,且具有腐蚀性。Sn—Bi系焊料,实际上是以Sn—A g(Cu)系合金为基体,添加适量的Bi组成的焊料合金,合金的最大的优点是降低了熔点,使其与Sn—Pb共晶焊料相近;蠕变特性好,并增大了合金的拉伸强度,但延展性变坏,变得硬而脆,加工性差,不能加工成线材使用。总之,目前虽然已开发出许多可以替代Sn—Pb合金的焊料,但尚未开发出一种完全能替代Sn/Pb合金的高性能低成本的无铅焊料。  

6. 二十世纪九十年代初,由美国国会提出了关于铅的限制法案,并由工作小组着手进行无铅焊料的研究开发活动。目前,美国已在汽车、汽油、罐头、自来水管等生产和应用中禁止使用铅和含铅焊料。但该法案对电子工业产生的效能并不大,在电子产品中禁止使用含铅焊料进展缓慢。欧洲和日本等发达国家对焊料中限制铅的使用也很关注。对于居住环境意识较强的欧洲,欧盟于1998年通过法案,已明确从2004年1月1日起任何制品中不可使用含铅焊料,但因技术等方面的原因,在电子产品中完全禁止使用铅有可能推迟至2008年执行。在无铅焊料研究和应用方面,日本走得最快。为了适应市场的需要,扩大市场份额,日本提出了生产绿色产品的概念。松下电器、日立、NEC、富士通等各大公司纷纷降低了铅的使用,并制订了无铅化的进程计划,从2000年开始已在部分产品生产中使用无铅焊料。   
 
7. 为了实现保护环境和提高产品质量为目的,并考虑电子组装工艺条件的要求,无铅焊料应满足以下条件:熔点低,合金共晶温度近似于Sn63/Pb37的共晶温度183℃,大致在180℃~220℃之间;无毒或毒性很低,所选用的材料现在和将来都不会污染环境;热传导率和导电率要与Sn63 /Pb37的共晶焊料相当;具有良好的润湿性;机械性能良好,焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能;要与现有的焊接设备和工艺兼容,可在不更新设备不改变现行工艺的条件下进行焊接;与目前使用的助焊剂兼容;焊接后对各焊点检修容易;成本要低,所选用的材料能保证充分供应。


这是研制开发无铅焊料的方向,要做到满足以上要求,有一定的难度,因此,对性能、成本均理想的绿色焊料的研制已成为研究的热点。

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