在各種候選無鉛合金中，錫(Sn)都被用作基底金屬，因為它成本很低，貨源充足，并具備理想的物理特性，如導(dǎo)電/導(dǎo)熱性和潤濕性，同時它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。通常與錫配合使用的其它金屬包括銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)。
之所以選擇這些材料是因為它們與錫組成合金時一般會降低熔點，得到理想的機械、電氣和熱性能。表1列出了各種金屬的成本、密度、年生產(chǎn)能力和供貨方面的情況，另外在考察材料的供貨能力時，將用量因素加在一起作綜合考慮得出的結(jié)果會更加清晰，例如現(xiàn)在電子業(yè)界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5萬噸左右，其中北美地區(qū)用量約為1.6萬噸，此時只要北美有3%的裝配工廠采用含銦20%的錫/銦無鉛合金，其銦消耗量就將超過該金屬的全球生產(chǎn)能力。
近5年來業(yè)界推出了一系列合金成分建議，幷且對這些無鉛替代方案進行了評估。備選方案總數(shù)超過75個，但是主要方案則可以歸納為不到15個。面對所有候選合金，我們采用一些技術(shù)規(guī)范將選擇縮到一個較小的范圍內(nèi)便于進行挑選。
銦 銦可能是降低錫合金熔點的最有效成分，同時它還具有非常良好的物理和潤濕性質(zhì)，但是銦非常稀有，因此大規(guī)模應(yīng)用太過昂貴?；谶@些原因，含銦合金將被排除在進一步考慮范圍之外。雖然銦合金可能在某些特定場合是一個比較好的選擇，但就整個業(yè)界范圍而言則不太合適，另外差分掃描熱量測定也顯示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點很低，只有114℃，所以也不太適合某些應(yīng)用。
鋅 鋅非常便宜，幾乎與鉛的價格相同，并且隨時可以得到，同時它在降低錫合金的熔點方面也具有非常高的效率。就鋅而言，其主要缺點在于它會與氧氣迅速發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的氧化物，在波峰焊過程中，這種反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生大量錫渣，而更嚴重的是所形成的穩(wěn)定氧化物將導(dǎo)致潤濕性變得非常差。也許通過惰性化或特種焊劑配方可以克服這些技術(shù)障礙，但現(xiàn)在人們要求在更大的工藝范圍內(nèi)對含鋅方案進行論證，因此鋅合金在今后考慮過程中也會被排除在外。
鉍 鉍在降低錫合金固相溫度方面作用比較明顯，但對液相溫度卻沒有這樣的效果，因此可能會造成較大的固液共存溫度范圍，而凝固溫度范圍太大將導(dǎo)致焊腳提升。鉍具有非常好的潤濕性質(zhì)和較好的物理性質(zhì)，但鉍的主要問題是錫/鉍合金遇到鉛以后其形成的合金熔點會比較低，而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會有鉛存在，錫/鉛/鉍的熔點只有96℃，很容易造成焊點斷裂。另外鉍的供貨能力可能會因鉛產(chǎn)量受到限制而下降，因為現(xiàn)在鉍主要還是從鉛的副產(chǎn)品中提煉出來，如果限制使用鉛，則鉍的產(chǎn)量將會大大減少。盡管我們也能通過直接開采獲取鉍，但這樣成本會比較高。基于這些原因，鉍合金也被排除在外。
四種和五種成分合金由四種或五種金屬構(gòu)成的合金為我們提供了一系列合金成分組合形式，各種可能性不勝枚舉。與雙金屬合金系統(tǒng)相比，大多數(shù)四或五金屬合金可以大幅降低固相溫度，但對降低液相溫度卻可能無所作為，因為大部分四或五金屬合金都不是共晶材料，這意味著在不同的溫度下會形成不同的金相形式，其結(jié)果就是回流焊溫度不可能比簡單雙金屬系統(tǒng)所需的低。
另外一個問題是合金成分時常會發(fā)生變動，因此熔點也會變，這在四或五金屬合金中會經(jīng)常遇到。由三種金屬組成的合金很難在焊錫膏內(nèi)的錫粉中實現(xiàn)“同批”和“逐批”一致，在四種和五種金屬組成的合金中實現(xiàn)同樣的一致性其復(fù)雜和困難程度更大。
所以多元合金將被排除在進一步考慮范圍之外，除非某種多元合金成分具有比二元系統(tǒng)更好的特性。但就目前來看，業(yè)界還沒有找到哪種四或五金屬合金比二元或三元替代方案更好(無論在成本上還是性能上)。 |
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