內(nèi) 容
一、鉛的危害及實(shí)施無鉛化的必要性與可行性
在軟釬焊的發(fā)展過程中，錫鉛合金一直是最優(yōu)質(zhì)的、廉價的焊接材料，無論是焊接質(zhì)量還是焊后的可靠性都能夠達(dá)到使用要求；但是，隨著人類環(huán)保意識的加強(qiáng)，“鉛”及其化合物對人體的危害及對環(huán)境的污染，越來越被人類所重視。
美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)將鉛及其化合物定性為17種嚴(yán)重危害人類壽命與自然環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)之一，鉛右通過滲入地下水系統(tǒng)而進(jìn)入動物或人類的食物鏈；在日常工作中，人體可通過皮膚吸收、呼吸、進(jìn)食等吸收鉛或其化合物，當(dāng)這些物質(zhì)在人體內(nèi)達(dá)到一定量時，會影響體內(nèi)蛋白質(zhì)的正常合成，破壞中樞神經(jīng)，造成神經(jīng)和再生系統(tǒng)紊亂、呆滯、貧血、智力下降、高血壓甚至不孕等癥狀；鉛中毒屬重金屬中毒，在人體內(nèi)它還有不可排泄、并且會逐漸積累的問題。美國職業(yè)安全與健康管理署(OSHA)標(biāo)準(zhǔn)：成人血液中鉛含量應(yīng)低于50mg/dl，兒童血液中鉛含量應(yīng)低于30mg/dl。
中國已加入WTO，中國市場已經(jīng)逐步與國際市場接軌；為了提高自身產(chǎn)品的適應(yīng)能力，及出口時避免上述不必要的麻煩，國內(nèi)廠商應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品無鉛化的意識，盡快地適應(yīng)國際市場的要求，不要走在別人的后面，否則產(chǎn)品將失去一定的競爭力，在日趨激烈的國際競爭中處于下風(fēng)；在我國沿海開放地區(qū)的外資廠居多，其中上規(guī)模的國際大公司也不少，這些外資公司已經(jīng)注意到了無鉛化的必要性，有些公司已將無鉛化提入公司改進(jìn)日程。
綠色環(huán)保產(chǎn)品是新世紀(jì)的主流，但是無鉛化是否可行呢？這個問題要從技術(shù)、成本以及無鉛焊料與目前軟釬焊設(shè)備的兼容性等多個角度去解答。首先從技術(shù)上來講，無鉛化已得到了多個國家的重視，好多國家設(shè)有無鉛焊料研發(fā)的專門機(jī)構(gòu)，這些研發(fā)機(jī)構(gòu)以及軟釬焊料生產(chǎn)廠商，都已經(jīng)研發(fā)出多種無鉛焊料，且有相當(dāng)一部分被實(shí)驗(yàn)證明是可以替代錫鉛焊料的產(chǎn)品，（具體的無鉛焊料種類及其特性本文第五要點(diǎn)有詳細(xì)介紹）；從成本角度考慮，目前所開發(fā)出的無鉛焊料成本一般的在錫鉛合金價格的2~3倍左右，據(jù)粗略統(tǒng)計，所用焊料的費(fèi)用不超過產(chǎn)品總成本的0.1%左右，所以不會對產(chǎn)品的總體成本造成太大的影響；就設(shè)備而言，目前也有適應(yīng)無鉛焊料的波峰焊及再流焊設(shè)備出廠，但是，眾多無鉛焊料研發(fā)機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)商仍在不斷努力改進(jìn)無鉛焊料本身的質(zhì)量參數(shù)，以適應(yīng)客戶目前的現(xiàn)有設(shè)備。
綜上所述，縱觀世界潮流、與目前無鉛化的進(jìn)程表明，無鉛化是完全必要的也是可行的。
二、無鉛焊料發(fā)展進(jìn)程
1991和1993年：美國參議院提出將電子焊料中鉛含量控制在0.1%以下的要求，遭到美國工業(yè)界強(qiáng)烈反對而夭折；
1991年起NEMI, NCMS, NIST, DIT, NPL, PCIF, ITRI, JIEP等組織相繼開展無鉛焊料的專題研究，耗資超過 2000萬美元，目前仍在繼續(xù)；
1998年日本修訂家用電子產(chǎn)品再生法，驅(qū)使企業(yè)界開發(fā)無鉛電子產(chǎn)品；
1998年10月日本松夏公司第一款批量生產(chǎn)的無鉛電子產(chǎn)品問世；
2000年6月：美國IPC Lead-Free Roadmap 第4版發(fā)表，建議美國企業(yè)界于2001年推出無鉛化電子產(chǎn)品，2004年實(shí)現(xiàn)全面無鉛化；
2000年8月：日本 JEITA Lead-Free Roadmap 1.3 版發(fā)表，建議日本企業(yè)界于2003年實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化無鉛電子組裝；
2002年1月歐盟 Lead-Free Roadmap1.0 版發(fā)表，根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果向業(yè)界提供關(guān)于無鉛化的重要統(tǒng)計資料；
歐盟議會和歐盟理事會2003年1月23日發(fā)布了第2002/95/EC號《關(guān)于在電氣電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)的指令》，在這個指令中，歐盟明確規(guī)定了六種有害物質(zhì)為：“汞（Hg）、鎘（Cd）、六價鉻（Cr）、鉛（Pb）、聚溴聯(lián)苯（PBB）、聚溴二苯醚（PBDE）”；并強(qiáng)制要求自2006年7月1日起，在歐洲市場上銷售的電子產(chǎn)品必須為無鉛的電子產(chǎn)品；（個別類型電子產(chǎn)品暫時除外）
2003年3月，中國信息產(chǎn)業(yè)部擬定《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法》，提議自2006年7月1日起投放市場的國家重點(diǎn)監(jiān)管目錄內(nèi)的電子信息產(chǎn)品不能含有Pb。
三、軟釬焊行業(yè)對無鉛焊料的要求
無鉛焊料首先要能夠真正滿足環(huán)保要求，不能把鉛去除了，又添加了新的有毒或有害的物質(zhì)；要確保無鉛焊料的可焊性及焊后的可靠性，并要考慮到客戶所承受的成本等眾多問題。概括起來講，無鉛焊料應(yīng)盡量滿足以下這些要求：
1、無鉛焊料的熔點(diǎn)要低，盡可能地接近63/37錫鉛合金的共晶溫度1830C，如果新產(chǎn)品的共晶溫度只高出1830C幾度應(yīng)該不是很大問題，但目前尚沒有能夠真正推廣的，并符合焊接要求的此類無鉛焊料；另外，在開發(fā)出有較低共晶溫度的無鉛焊料以前，應(yīng)盡量把無鉛焊料的熔融間隔溫差降下來，即盡量減小其固相線與液相線之間的溫度區(qū)間，固相線溫度最小為1500C，液相線溫度視具體應(yīng)用而定(波峰焊用錫條：2650C以下；錫絲：3750C以下；SMT用焊錫膏：2500C以下，通常要求回流焊溫度應(yīng)該低于225~2300C)。
2、無鉛焊料要有良好的潤濕性；一般情況下，再流焊時焊料在液相線以上停留的時間為30~90秒，波峰焊時被焊接組件管腳及線路板基板面與錫液波峰接觸的時間為4秒左右，使用無鉛焊料以后，要保證在以上時間范圍內(nèi)焊料能表現(xiàn)出良好的潤濕性能，以保證優(yōu)質(zhì)的焊接效果；
3、焊接后的導(dǎo)電及導(dǎo)熱率都要與63/37錫鉛合金焊料相接近；
4、焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度、韌性、延展性及抗蠕變性能都要與錫鉛合金的性能相差不多；
5、成本盡可能的降低；目前，能控制在錫鉛合金的1.5~2倍，是比較理想的價位；
6、所開發(fā)的無鉛焊料在使用過程中，與線路板的銅基、或線路板所鍍的無鉛焊料、以及元器件管腳或其表面的無鉛焊料及其它金屬鍍層間，有良好的釬合性能；
7、新開發(fā)的無鉛焊料盡量與各類助焊劑相匹配，并且兼容性要盡可能的強(qiáng)；既能夠在活性松香樹脂型助焊劑（RA）的支持下工作，也能夠適用溫和型、弱活性松香焊劑（RMA）或不含松香樹脂的免清洗助焊劑才是以后的發(fā)展趨勢；
8、焊接后對焊點(diǎn)的檢驗(yàn)、返修要容易；
9、所選用原材料能夠滿足長期的充分供應(yīng)；
10、與目前所用的設(shè)備工藝相兼容，在不更換設(shè)備的狀況下可以工作。
四、無鉛化進(jìn)程中所涉及的相關(guān)行業(yè)及其協(xié)作關(guān)系
在無鉛化的推廣與導(dǎo)入過程中，不可避免地會與多個行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生或多或少的關(guān)系，這就要求相關(guān)行業(yè)之間要互相協(xié)作，統(tǒng)一目標(biāo)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；避免重復(fù)的、相互牽制的工作，這樣會影響無鉛化的推廣與導(dǎo)入；這其中所涉及的相關(guān)行業(yè)及其之間的相互協(xié)作關(guān)系如下：
1、電子制造業(yè)廠商：
電子制造廠商是無鉛焊料的使用廠商，是無鉛化最重要的執(zhí)行對象，也是無鉛化推廣的終端；這些廠商應(yīng)根據(jù)自身產(chǎn)品及客戶對象等狀況，去決定何時去導(dǎo)入無鉛化制程，以及如何導(dǎo)入等問題；一旦確定要實(shí)施產(chǎn)品無鉛化，就應(yīng)該配合原材料供貨商及客戶，把無鉛化的導(dǎo)入作為一個改造或改進(jìn)方案提上公司工作日程（相關(guān)導(dǎo)入制程請參考本文第七點(diǎn)相關(guān)論述）。電子制造廠商是否重視無鉛化進(jìn)程，是否能夠與其它相關(guān)行業(yè)有效地配合等，都會影響到無鉛焊料的推廣與最終的實(shí)施、普及。
所以，電子制造廠商將在無鉛化的推廣進(jìn)程中起著決定性的作用。
2、電子元器件廠商：
電子元器件廠商既是無鉛化的推動者，同時也是無鉛焊料的使用廠商，這類廠商本來也屬電子制造廠商，但同時作為元器件的生產(chǎn)商又有其特殊性，所以把它單列出來，與電子制造廠商區(qū)別來講。生產(chǎn)元器件管腳需要鍍錫的廠商，如：二極管、變壓器、線圈等產(chǎn)品時，應(yīng)該選擇無鉛焊料去作鍍層，以適應(yīng)無鉛化的要求；另外，需要使用釬焊材料來完成焊接的元器件廠商，更要重視無鉛焊料的問題，如：陶瓷電容器等廠商，在無鉛焊料推廣使用初期，焊接時的工作溫度比起以前有所提高，如何避免在經(jīng)過高溫焊接時，電容器或其它元器件內(nèi)的釬焊料不受高溫影響也是應(yīng)該早作考慮的問題。
電子元器件制造商，應(yīng)與客戶溝通協(xié)調(diào)，另外應(yīng)詢求無鉛焊料生產(chǎn)廠商的配合，在無鉛化進(jìn)程中起到應(yīng)有的支持作用。
3、線路板制造廠商：
線路板制造廠商在無鉛化的進(jìn)程中，也應(yīng)與其它相關(guān)行業(yè)保持良好的協(xié)作關(guān)系；實(shí)行無鉛化后，要求這些廠商無論是單面板的鍍錫或是多層板熱風(fēng)整平時的噴錫，都應(yīng)選擇無鉛焊料作業(yè)；另外，在線路板表面防氧化層的物質(zhì)選擇上，也應(yīng)考慮這些物質(zhì)與各種無鉛焊料的釬合性能問題，耐溫要提高。
這些廠商在無鉛化的進(jìn)程中，同電子元器件的生產(chǎn)廠商一樣，既是無鉛焊料的使用者，也是無鉛化推進(jìn)過程中的關(guān)鍵一環(huán)，對無鉛化的進(jìn)程起到不可忽視的支持作用。
4、軟釬焊料生產(chǎn)廠商：
軟釬焊料生產(chǎn)廠商應(yīng)該定位在無鉛化進(jìn)程中的核心位置，從研發(fā)試驗(yàn)，到無鉛焊料的交付使用，都應(yīng)起到主導(dǎo)的作用；在無鉛化的進(jìn)程中，焊料生產(chǎn)廠商所應(yīng)做的工作最多，在與其它各行業(yè)的協(xié)調(diào)過程中也起著關(guān)鍵的決定性作用。
目前，對此類廠商的要求是：盡快地開發(fā)出經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的無鉛焊料產(chǎn)品，并且在無鉛焊料推廣初期，應(yīng)首先掌握無鉛化的推廣與導(dǎo)入技術(shù)；此類廠商應(yīng)與電子元器件生產(chǎn)商、電子制造廠商、線路板生產(chǎn)廠商以及設(shè)備生產(chǎn)廠商、無釬焊料專業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)做好協(xié)調(diào)工作，避免重復(fù)的開發(fā)、研制工作。
另外，在此類生產(chǎn)廠商內(nèi)部，應(yīng)首先加強(qiáng)行銷人員的無鉛化專業(yè)知識，以便更好地指導(dǎo)客戶、服務(wù)市場，把無鉛化的推廣與導(dǎo)入工作做好、做細(xì)。
5、軟釬焊用設(shè)備制造商：
此類廠商在目前的環(huán)境下，應(yīng)充分掌握無鉛焊料的研發(fā)動態(tài)，并充分了解電子制造業(yè)的工藝、制程的發(fā)展動態(tài)，以協(xié)助解決無鉛焊料在使用中所存在的各種相關(guān)問題；
對此類廠商的基本要求是：充分掌握無鉛焊料的發(fā)展動態(tài)及特性，另外一點(diǎn)就是反應(yīng)一定要快，能夠時時滿足客戶各方面的要求。
6、無鉛焊料的專業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)：
無鉛焊料專業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)在無鉛化進(jìn)程的初期，對無鉛焊料的研發(fā)起到了重要的推動作用，促使了無鉛焊料的新品不斷產(chǎn)生，相關(guān)技術(shù)含量不斷提升，對無鉛焊料的推廣與導(dǎo)入提供了一定的技術(shù)保障。
此類機(jī)構(gòu)應(yīng)與焊料生產(chǎn)廠商協(xié)調(diào)配合，不斷把最新的實(shí)驗(yàn)成果，通過焊料生產(chǎn)廠商推向市場，做實(shí)用化試驗(yàn)，以加快無鉛化進(jìn)程。
五、目前所開發(fā)的無鉛焊料種類及其品質(zhì)、成本之評估
在無鉛焊料的開發(fā)初期，大多焊料廠商存在較嚴(yán)重的誤區(qū)，有人認(rèn)為把錫鉛合金中的鉛除去就是無鉛焊料了，其實(shí)那只是純錫，而不是無鉛焊料，純錫的抗拉強(qiáng)度、延展性、抗蠕變性能等都要比錫鉛合金差得多；所以在去除鉛的成份以后，必須找到一種或幾種能夠從性能、成本等角度代替鉛的金屬元素。新的無鉛焊料必須與63/37錫鉛合金的各種性能相接近。
1、無鉛焊料研發(fā)現(xiàn)狀：
美國國家生產(chǎn)科學(xué)研究所(NCMS)通過篩選得到了7種無鉛焊料并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)用性和可靠性二次評審，最后推薦了三種合金供選擇。（見表一）
表一：美國用于表面安裝推薦的三種無鉛焊料合金
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合金種類
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熔融溫度
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適用范圍
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Sn-58Bi
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1390C
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家用電器、攜帶式電話
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Sn-3.4Ag-4.8Bi
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205~2100C
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家用電器、攜帶式電話、宇宙航空、汽車
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Sn-3.5Ag-0.5Cu-1In
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2210C
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家用電器、攜帶式電話、宇宙航空、汽車
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在日本，日本電子工業(yè)振興協(xié)會（JEITA）組織評定了無鉛焊料。表二為JEIDA組織評定的過渡期可用的合金。
表二、JEIDA組織評定的可用的合金
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項(xiàng) 目
內(nèi)容
系別
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合 金
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再流焊（R）
波峰焊（F）
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Sn-Ag
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Sn-3.5Ag-0.75Cu
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R F
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Sn-Ag-Cu
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Sn-3Ag-0.7Cu
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F
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Sn-Ag-Bi
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Sn-2Ag-3Bi-0.75Cu
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R
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Sn-2Ag-4Bi-0.5Cu-0.1Ge
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R
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Sn-3.5Ag-5Bi-0.7Cu
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R
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Sn-3.5Ag-6Bi
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R
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Sn-Bi
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Sn-1Ag-57Bi
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R
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2、無鉛焊料的種類及特性
從各國相關(guān)組織推薦的各種無鉛焊料及各大公司試用的狀況總結(jié)，目前過渡期無鉛焊料可分為下述4類，見下表：
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種類
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共晶比
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共晶點(diǎn)
(0C)
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特 點(diǎn)
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缺 點(diǎn)
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優(yōu) 點(diǎn)
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Sn-Ag
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Sn-3.5Ag
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221
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中高溫系,延展性/
潤溫性比Sn-Pb差
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較強(qiáng)的一致性和可重復(fù)制造性,并已在
電子業(yè)界應(yīng)用多年,一直保持很好的可
靠性;用于回流焊/波峰焊/手工焊焊接;
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Sn-Cu
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Sn-0.7Cu
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227
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抗拉強(qiáng)度延展性比
Sn-Pb差
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成本低/可應(yīng)用于波峰焊/手工焊
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Sn-Bi
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Sn-58Bi
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138
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Bi資源有限,熔點(diǎn)太低,
機(jī)械強(qiáng)度較差,易虛焊
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熔點(diǎn)低,抗熱疲勞性好
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Sn-Zn
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Sn-9Zn
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199
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易氧化/易腐蝕/潤濕性
很差
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機(jī)械性能較好,較接近Sn-37Pb，
中溫系
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3、金箭焊料有限公司無鉛焊料成份的篩選：
篩選依據(jù)見本文（三），為達(dá)目標(biāo)選擇種類以Sn-Cu系Sn-Ag系為基礎(chǔ)，供選擇的添加元素如下：
●熔點(diǎn)降低類：銦（In）鉍（Bi）
●抗氧化類：鎵（Ga）銦（In）磷（P）
●改善組織結(jié)構(gòu)類：鍺（Ge）鈰（Ce）
（請參考以下示意圖）
銀（Ag）
9610C
強(qiáng)
度
提
高
熔點(diǎn)降低 防止斷裂
鉍（Bi） 錫（Sn） 銅（Cu）
2710C 2320C 10830C
熔
點(diǎn)
降
低
鋅（Zn）
4320C
最后得到Sn-Ag-Cu-Bi/Sn-Ag-Cu系可進(jìn)入下輪篩選。
3．1以熔點(diǎn)管法進(jìn)行Sn-Ag 、Sn-Cu二元合金，再添加熔點(diǎn)降低類元素組成Sn-Cu-In/Sn-Cu-Bi/Sn-Ag-Bi/Sn-Ag-Cu-Bi/Sn-Ag-Cu-In等三元四元合金進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)含銦焊料熔點(diǎn)下降明顯，熔融溫度區(qū)間也小，只是價格及供貨能力差而被排除；含鉍的合金熔融區(qū)間較大，對降低固相線明顯，對降低液相線不明顯，只能限定在3%以下。熔點(diǎn)管法較示差熱分析儀直觀速度快。
3．2以靜止錫鍋法測試Sn-Ag-Cu/Sn-Ag-Cu-Bi/Sn-Cu/Sn-Ag等二元、三元、四元合金添加抗氧化成份在規(guī)定時間內(nèi)以出渣多少來進(jìn)行評定，結(jié)論如下：Ga、In、p<50ppm有效。
3．3 以電子顯微鏡觀察Sn-Cu/Sn-Ag/Sn-Ag-Cu/Sn-Ag-Cu-Bi等二元、三元、四元合金的金相結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)銀超過3.5%時合金形成Ag-Sn粗化結(jié)構(gòu)；Bi在21%以下時出現(xiàn)共晶部分；添加Ge、Ce后會形成微細(xì)粒子改善了無鉛焊料的組織結(jié)構(gòu)。
綜上所述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成了以Sn-Cu/Sn-Ag/Sn-Ag-Cu/Sn-Ag-Cu-Bi為基礎(chǔ)并添加Ga、In、P、Ge等元素在內(nèi)的無鉛焊料。
4、無鉛焊料的抗拉強(qiáng)度評價：
為考核焊料焊接后的強(qiáng)度，我們設(shè)計了下述方案完成焊接，同樣的焊料量、焊點(diǎn)大小一致為3X3mm，厚度為0.3mm的T2銅片,實(shí)驗(yàn)示意圖如下：
在拉力試驗(yàn)機(jī)上做剝離強(qiáng)度試驗(yàn)，用我公司GA-F960無鉛焊料專用焊劑，得到下述結(jié)論：
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合金種類
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剝離強(qiáng)度（N/mm2）
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Sn-37Pb
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9.6
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Sn-0.7Cu/Sn-3.5Ag
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6.9/6.4
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Sn-3.5Ag-0.7Cu
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7.8
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Sn-3.0Ag-0.5Cu
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7.9
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Sn-0.7Cu-0.07 Ni
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7.6
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5、無鉛焊料潤濕性評價：
實(shí)驗(yàn)樣品：Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag-Cu-Bi系、Sn-Ag-Cu-Sb系、Sn-Ag系及Sn- Cu系無鉛焊料；Sn60/Pb40有鉛焊料
（所用助焊劑為金箭公司生產(chǎn)的GA-F960）
實(shí)驗(yàn)儀器:游標(biāo)卡尺測量法
實(shí)驗(yàn)步驟:
1.樣板的制備:
將T2 銅板剪成適當(dāng)?shù)男K,用(1:2)鹽酸除去氧化膜后,用水沖洗,再用乙醇清洗,放置空氣中干燥后,放入150℃±5℃烘箱內(nèi)1小時氧化,取出放入嚴(yán)密的玻璃瓶中備用。
2.試料：
稱取0.3000±0.002g無鉛焊絲(Φ1.0),用小細(xì)棒彎成小圓圈、或用0.3000±0.002g的無鉛焊料。
3.試驗(yàn)步驟：
將銅板一角彎一小角,將試料環(huán)放在試驗(yàn)板中心,用鑷子夾住試驗(yàn)板小角(焊劑滴三滴,固體焊劑稱3g)放入錫鍋,在30s內(nèi)熔化并擴(kuò)展,取出常溫下冷卻,用乙醇清除殘余物,用千分尺測銅板厚度H0 和銅板中試料中心最高處的厚度HA 。
擴(kuò)展率=4.06-(HA -HO )/ 4.06×100%
Sn-Ag-Cu系
Sn60/Pb40
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示:
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合金類型
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擴(kuò)展率(%)
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Sn-37Pb
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86
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Sn-0.7Cu
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86
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Sn-3.5Ag
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87
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|
Sn-3.5Ag-0.7Cu
|
87
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Sn-3.0Ag-0.5Cu
|
88
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Sn-0.7Cu-0.07Ni
|
86
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6、無鉛焊料伸展率評價：
將所評價焊料在拉力試驗(yàn)機(jī)上做伸展率測試，測試樣件拉成φ3mm絲或鑄成5X5X100mm的條；測試結(jié)果如下：
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合金類型
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伸展率(%)
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Sn-37Pb
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50
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Sn-0.7Cu
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34
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Sn-3.5Ag
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70
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Sn-3.5Ag-0.7Cu
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30
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Sn-3.0Ag-0.5Cu
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35
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Sn-0.7Cu-0.07 Ni
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33
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7、無鉛焊料的熔點(diǎn)評價：
將所評價的無鉛焊料以示差熱分析儀來進(jìn)行測試分析（DTA）：根據(jù)GB/T1425-1996《貴金屬及其合金熔化溫度范圍的測定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試結(jié)果如下：
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合金成份（%）
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熔點(diǎn)（0C）
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Sn-37Pb
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183-184
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Sn-0.7Cu
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227
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Sn-3.5Ag
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221
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Sn-3.5Ag-0.7Cu
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216-220
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Sn-3.0Ag-0.5Cu
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212-216
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Sn-0.7Cu-0.07 Ni
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213-219
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8、無鉛焊料抗疲勞性能評價：
在850C±20C相對濕度85±5%的恒溫恒濕箱中將本節(jié)5和8中的樣片做48小時老化實(shí)驗(yàn)后，測試伸展率和抗拉強(qiáng)度，測試結(jié)果如下：
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合金成份（%）
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剝離強(qiáng)度（N/mm2）
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伸展率（%）
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Sn-37Pb
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9.6
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50
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Sn-0.7Cu
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6.9
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34
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Sn-3.5Ag
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6.4
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70
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Sn-3.5Ag-0.7Cu
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7.8
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30
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Sn-3.0Ag-0.5Cu
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7.9
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35
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Sn-0.7Cu-0.07 Ni
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7.6
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33
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9、無鉛焊料的成本評估：
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合金成份（%）
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成本比較倍數(shù)
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Sn-37Pb（標(biāo)準(zhǔn)焊料）
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1.00
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Sn-0.7Cu
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1.49
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Sn-3.5Ag
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3.20
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Sn-3.5Ag-0.7Cu
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3.19
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Sn-3.0Ag-0.5Cu
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2.87
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Sn-0.7Cu-0.07 Ni
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2.0
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六、無鉛焊料的推廣應(yīng)用過程中所需解決或應(yīng)注意的相關(guān)問題
1、無鉛錫絲的使用：
①、注意烙鐵功率的選擇，無鉛焊料的熔點(diǎn)比錫鉛合金高出許多，在不影響元器件所受熱沖擊的情況下，可適當(dāng)把烙鐵功率加大，以加快熔錫與上錫的速度；焊接溫度不能低于3750C或用60W烙鐵。
②、在焊后焊點(diǎn)的感觀上，不能按以往錫鉛合金的標(biāo)準(zhǔn)評判，通常的無鉛焊料焊點(diǎn)不如錫鉛合金焊點(diǎn)平滑、光亮，但只要能保證焊點(diǎn)的完全焊接及其檢測時的可靠性，應(yīng)屬可接受范圍。
2、波峰爐的使用：
就設(shè)備而言，目前也有適應(yīng)無鉛焊料的波峰焊及再流焊設(shè)備出廠，但是，眾多無鉛焊料研發(fā)及生產(chǎn)商仍在不斷努力改進(jìn)無鉛焊料本身的質(zhì)素，以適應(yīng)客戶的現(xiàn)有設(shè)備。
①、關(guān)于波峰爐的設(shè)備：
就Sn-Ag-Cu焊料來講，其工作溫度應(yīng)在2550C左右，就各廠商目前錫爐設(shè)備能否適用而言，還要看自身設(shè)備的實(shí)際狀況，一般情況下應(yīng)該是可以滿足。但是考慮到無鉛料料的固相線和液相線之間還存在較大的區(qū)間，這樣對焊料的凝固時間就產(chǎn)生了影響，會延遲焊料的凝固，所以，如果條件允許的話，可以在波峰爐錫槽后，加一個強(qiáng)制降溫的裝置，以加大線路板經(jīng)過波峰后的降溫速率，有利于焊點(diǎn)的形成；另外，在波峰爐鏈條進(jìn)口與出口處作好擋簾保溫設(shè)施，以及加長預(yù)熱區(qū)、對錫槽作鍍層外理等措施，以保持無鉛波峰爐良好的焊接狀態(tài)。
②、預(yù)熱溫度及錫爐溫度設(shè)定：
相關(guān)預(yù)熱及錫爐溫度設(shè)定的問題，最好向焊料或元器件的供貨商咨詢，并要求對方在供貨或交付樣品前提交相關(guān)參數(shù)；無鉛焊料所定參數(shù)大致如下：預(yù)熱溫度90~1100C，錫爐溫度在250~2600C（以上均為實(shí)際溫度），走板速度一般定在1.1~1.4m/min不等；
根據(jù)目前所開發(fā)的無鉛焊料的實(shí)際情況及現(xiàn)有波峰爐的狀況，通過對走板速度的調(diào)控，當(dāng)線路板走完0.9m左右的長度預(yù)熱區(qū)時，板面實(shí)際受熱溫度完全在可達(dá)到1000C以上，這樣的預(yù)熱溫度能夠達(dá)到無鉛焊料對預(yù)熱溫度的要求。
目前錫爐設(shè)備生產(chǎn)商所生產(chǎn)波峰爐，錫液所達(dá)到的最高溫度上限一般都設(shè)定在3000C左右，也能夠滿足無鉛焊料的2550C左右的工作溫度；另外，PCB生產(chǎn)廠商的阻焊膜的抗高溫能力定在270-2900C；據(jù)此，目前的波峰爐及PCB狀況基本能適應(yīng)無鉛焊料的焊接要求。
以上工作參數(shù)的設(shè)定，只是從錫爐及焊料本身去考慮；在實(shí)際工作中，電子制造廠商還應(yīng)該審視自身產(chǎn)品，以及線路板上組件的精密程度、所能承受的熱沖擊程度等狀況，在綜合所有相關(guān)供貨商的指導(dǎo)資料后，再去設(shè)定以上參數(shù)；焊接溫度曲線高出共晶點(diǎn)溫度或高出液相線溫度100C左右開始試驗(yàn)，據(jù)使用無鉛焊料的用戶反饋信息分析，此種試驗(yàn)是非常必要的、有效的。
3、再流焊設(shè)備的使用
①、設(shè)備所面臨的問題：
關(guān)于再流焊設(shè)備要不要更新、在現(xiàn)有的設(shè)備基礎(chǔ)上要不要采用氮?dú)獗Ｗo(hù)等問題，目前仍沒有定論；但因?yàn)闊o鉛焊料的熔點(diǎn)較以往錫鉛合金焊料高，也使得再流焊過程中產(chǎn)品上各點(diǎn)的溫差要高出許多，這就意味著再流焊的加熱效率將面臨較大的挑戰(zhàn)，紅外線加熱的再流焊機(jī)或加熱效率不理想的再流焊設(shè)備，有可能在無鉛焊料的推廣中遭到淘汰；擁有這類設(shè)備的廠商，在推行無鉛焊料前應(yīng)慎重考慮與評估。
②、再流焊區(qū)線的設(shè)定：
具體的無鉛焊料再流焊溫度曲線，電子制造業(yè)廠商應(yīng)向焊料供貨商要求提供；每一種不同配比的無鉛焊料，其溫度曲線都是不同的；就目前無鉛焊料開發(fā)的現(xiàn)狀而言，整個再流焊工作溫度曲線將比63/37錫鉛合金焊料提高200C左右；在更改工作溫度曲線前，應(yīng)首先對自身產(chǎn)品及元器件所能承受之熱沖擊狀況做出論證，然后再審慎調(diào)整。
③、無鉛焊錫膏錫粉成份之選擇:
考慮到再流焊的特殊性，在選擇焊料的成份配比上，與波峰爐稍有不同，建議選擇Sn-Ag-Cu或Sn-Ag-Cu-Bi系列焊料，Sn-Ag-Cu焊料被美國NEMI(National Electronics and Marufacturing Iniviative)推薦為“標(biāo)準(zhǔn)”焊料；ITRI也擬把Sn-Ag-Cu焊料推薦為Sn-Pb通用替代物。
4、輔助材料的使用：
①、無鉛焊料用助焊劑
實(shí)現(xiàn)無鉛化以后，焊料采用無鉛焊料，其在焊接效果及特性上與以往的錫鉛合金有很大的不同，所以，選擇與無鉛焊料相匹配的助焊劑是完全必要的。
如果是活性的松香助焊劑（RA），應(yīng)該可以滿足各種無鉛焊料的要求，但是此類焊劑焊后的殘留將是令人頭痛的問題，經(jīng)過較高的焊接溫度，有可能會產(chǎn)生難以清除的殘留物質(zhì)，這是助焊劑組份中某些物質(zhì)經(jīng)過高溫環(huán)境時被氧化后形成的，這部分物質(zhì)的存在有可能會對焊后的電性能存在一定的影響；另外，使用普通弱活松香型（RMA）或免清洗助焊劑，都存在著焊劑中活化物質(zhì)的活化溫度與目前無鉛焊料的較高工作溫度不相匹配的問題。
這就要求助焊劑生產(chǎn)廠商要開發(fā)出一種用活性較強(qiáng)、抗氧化能力更強(qiáng)、潤濕性更好熱穩(wěn)定性更好的助焊劑供客商選擇使用。電子制造廠商在選擇無鉛焊料的同時，應(yīng)向供貨商咨詢相關(guān)配套助焊劑的問題。
②、惰性氣氛（氮?dú)猓?
關(guān)于無鉛焊料使用中是否一定要使用氮?dú)獗Ｗo(hù)，目前尚無一種定論，據(jù)“液化空氣（天津）有限公司”的陳文洪先生在《惰性焊接和無鉛焊料》一文中的對此作了以下論述：
第一、使用惰性氣氛以后的低含氧量，可以幫助保護(hù)金屬和助焊劑不產(chǎn)生過量氧化物，提高焊料及助焊劑的潤濕性能；
第二、空氣氣氛下產(chǎn)生的助焊劑氧化物是難以去除的，如果把熱氮?dú)庥糜诋a(chǎn)品返修中，可減少氧化物，簡化工藝。
第三、在以下情況下應(yīng)使用氮?dú)猓焊叩牟僮鳒囟取⒓?xì)間距、復(fù)雜的裝配或是產(chǎn)品高可靠度要求使用氮?dú)獗Ｗo(hù)時，應(yīng)該使用氮?dú)獗Ｗo(hù)；
第四、在日本的實(shí)驗(yàn)室研究中，眾多研究者一致認(rèn)為手機(jī)裝配業(yè)使用氮?dú)馐潜仨毜摹?
第五、另有一些文獻(xiàn)報道，使用氮?dú)饪梢越档秃附拥姆逯禍囟�，�?dāng)生產(chǎn)設(shè)計復(fù)雜的產(chǎn)品、溫度范圍大的板卡時，都建議使用氮?dú)狻?
根據(jù)以上幾點(diǎn)的論述，電子制造廠商在使用氮?dú)獗Ｗo(hù)的問題上，還是要根據(jù)自身產(chǎn)品的實(shí)際狀況來定，經(jīng)過嚴(yán)密的論證后再作決定，如有相關(guān)問題，也可請氣體制造商提供幫助。
5、無鉛焊料焊接后的產(chǎn)品，應(yīng)該再附加連接點(diǎn)的抗熱疲勞及壽命檢測，以用多種參數(shù)支持、評價焊料可靠性。
6、廢料回收：從環(huán)保角度考慮的波峰焊氧化錫渣、廢錫漿、廢PCB等應(yīng)該回收并且在價值上也應(yīng)值得回收再生。
七、建議電子行業(yè)無鉛化的導(dǎo)入制程
根據(jù)企業(yè)實(shí)際狀況，首先應(yīng)抽調(diào)工程、品管、生技等部門相關(guān)人員，成立無鉛化推行論證工作小組，然后由該工作小組制定出適合本企業(yè)的無鉛焊料導(dǎo)入計劃，以及完成該計劃中每一個小節(jié)的具體時間，并發(fā)放各相關(guān)職能部門，要求企業(yè)內(nèi)各部門按計劃分配工作，并予以執(zhí)行。
相關(guān)推廣工作及導(dǎo)入計劃內(nèi)容有以下幾點(diǎn)可供參考：
1、對相關(guān)無鉛焊料的各種資料進(jìn)行書面論證：
①、無鉛焊料之起源：
②、無鉛焊料之推動力：
③、無鉛焊料之市場導(dǎo)向：
（①至③可參考本文第一點(diǎn)相關(guān)論述）
④、無鉛焊料之性能：
⑤、無鉛焊料成份之選用：
⑥、無鉛焊料品質(zhì)之評估：
⑦、無鉛焊料成本之評估：
⑧、與無鉛焊料相匹配之助焊劑性能：
（④至⑧可參考本文第五、六點(diǎn)相關(guān)論述；以上①至⑧也要求焊料供貨商協(xié)助提供相關(guān)支持；）
2、協(xié)調(diào)、選擇無鉛焊料供貨商對具體無鉛焊料產(chǎn)品進(jìn)行評估；
（可要求無鉛焊料生產(chǎn)廠商提供其產(chǎn)品配比或所含金屬元素成分、焊料性能、適用的溫度區(qū)線、對焊接設(shè)備的要求等方面相關(guān)資料）
3、協(xié)調(diào)各電子元器件生產(chǎn)商對電子元器件在無鉛化進(jìn)程中的適用性，及其性能論證；
（此點(diǎn)應(yīng)包括元器件管腳鍍層之無鉛成份及元器件所能承受熱沖擊能力進(jìn)行評估）
4、對線路板生產(chǎn)商進(jìn)行線路板無鉛化評估；
（此點(diǎn)包括線路板自身的無鉛化評估，及線路板所能承受之熱沖擊能力評估）
5、對企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行評估；
（可參照本文第六點(diǎn)相關(guān)論述，或請求設(shè)備供貨商予以支持）
6、對引入無鉛焊料后生產(chǎn)工藝之調(diào)整，以及生產(chǎn)工藝調(diào)整后對企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等各方面所帶來的影響進(jìn)行評估；
（相關(guān)參數(shù)之調(diào)整可參照本文第五點(diǎn)及第六點(diǎn)相關(guān)論述）
7、對無鉛化導(dǎo)入計劃中所涉及到各部門，要求他們作出相應(yīng)工作計劃書；
8、在確定以上程序基本完成，并有理論、技術(shù)支持后，可在工程或技術(shù)部門內(nèi)部做無鉛焊料的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；
9、對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，對不足或存在明顯缺陷部分進(jìn)行改進(jìn)，或協(xié)調(diào)相關(guān)供貨商尋求技術(shù)支持；
10、將無鉛焊料安排到生產(chǎn)線進(jìn)行試用、或?qū)Σ糠之a(chǎn)品進(jìn)行無鉛化實(shí)驗(yàn)；
11、在所有評估、實(shí)驗(yàn)完成以后，進(jìn)行最終的無鉛化導(dǎo)入程序進(jìn)行總結(jié)；并編制無鉛焊料使用工藝及各相關(guān)工位工作指導(dǎo)書。
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