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金属及合金选择
来源:原创 | 发布时间:10-01-12 | 点击次数:

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。表1列出了各种金属的成本、密度、年生产能力和供货方面的情况,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,幷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。

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。

四种和五种成分合金由四种或五种金属构成的合金为我们提供了一系列合金成分组合形式,各种可能性不胜枚举。与双金属合金系统相比,大多数四或五金属合金可以大幅降低固相温度,但对降低液相温度却可能无所作为,因为大部分四或五金属合金都不是共晶材料,这意味着在不同的温度下会形成不同的金相形式,其结果就是回流焊温度不可能比简单双金属系统所需的低。

另外一个问题是合金成分时常会发生变动,因此熔点也会变,这在四或五金属合金中会经常遇到。由三种金属组成的合金很难在焊锡膏内的锡粉中实现“同批”和“逐批”一致,在四种和五种金属组成的合金中实现同样的一致性其复杂和困难程度更大。

所以多元合金将被排除在进一步考虑范围之外,除非某种多元合金成分具有比二元系统更好的特性。但就目前来看,业界还没有找到哪种四或五金属合金比二元或三元替代方案更好(无论在成本上还是性能上)。

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