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无铅锡膏与导电性胶
编辑:深圳市唯铭新材料有限公司   时间:2017-07-31

世界上,对无铅锡膏替代品的爱好正在戏剧性地增加,首要因为在亚洲和欧洲都初步敏捷地消除含铅焊锡在电子安装中的出现。日本的电子制作商现已自愿地恳求到2001年在国内制作或销售的产品是无铅的。欧洲也在恳求无铅电子,正如1998报废电气与电子设备指示(WEEE)所恳求的那样。但是,因为欧洲社会的对立,终究期限没有判定,现在的截止日期估计在2004年往后。有许多理由支撑把铅从电子焊锡材猜中消除的极力。除了来自该元素毒性的环境压力以外,其它动机包括有害废物处理的注重、工作场合安全性考虑、设备可靠性疑问、市场竞争性、以及环境一起形象的维护。

  现在北美电子制作商所饱受的压力本来是经济上的,而不是法令上的。为了消除其产品再不能出口到亚洲和欧洲电子市场的危险,制作商们正在寻找可行的含铅焊锡的替代者,包括无铅焊锡材料与可导电性胶。


  无铅焊锡

  无铅焊锡技术不是新的。多年来,许多制作商现已在一些恰当方位运用中运用了无铅合金,供应较高的熔点或满足格外的材料恳求。但是,今天无铅焊锡研讨的目的是要抉择哪些合金应当用来替代现在每年运用的估计50,000吨的锡-铅焊锡。撤销资源丰富报价廉价的(大约每磅0.40美元)铅,代之以另外的元素,原材料的本钱或许增加许多。

  选择用来替代铅的材料有必要满足各种恳求:


  1.它们有必要在世界范围内可得到,数量上满足全球的需要。某些金属 - 如铟(Indium)和铋(Bismuth) - 不能得到大的数量,只够用作无铅焊锡合金的增加成分。 

  2.也有必要考虑到替代合金是无毒性的。一些考虑中的替代金属,如镉(Cadmium)和碲(Tellurium),是毒性的;其它金属,如锑(Antimony),因为改动法规的作用或许落入毒性种类。 

  3.替代合金有必要可以具有电子工业运用的全部方法,包括返工与修补用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型(preform)。不是全部建议的合金都可制成全部的方法,例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。 

  4.替代合金还应当是可循环再生的 - 将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中或许使循环再生进程复杂化,并增加本钱。 

  不是全部的替代合金都可轻易地替代现有的焊接进程。美国国家制作科学基地(NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在1997年得出结论,对共晶锡-铅焊锡没有“刺进的(drop-in)”替代品。1994年结束的,作为欧洲IDEALS方案一部分的研讨发现,逾越200种研讨的合金中,不到10种无铅焊锡选择是可行的。

  数量上满足满足焊锡的许多需要的元素包括,锡(Sn, tin)、铜(Cu, copper)、银(Ag, silver)和锑(Sb, antimony)。商业上可行的一些无铅焊锡的比方包括,99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在这些替代合金内的全部这些元素具有与锡-铅焊锡不一样的熔点、机械功用、熔湿特性和外观。现在工业趋向于运用靠近共晶的锡银铜(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。

  大都无铅合金,包括锡-银-铜,具有逾越200°C的熔点 - 高于传统的锡-铅合金的大约180°C的熔点。这个升高的熔点将恳求更高的焊接温度。对于元件包装和倒装芯片安装,无铅焊锡的较高熔点或许是一个注重,因为元件包装基底或许不能忍受升高的回流温度(图一)。计划者现在正在研讨替代的基底材料,可忍受更高的温度,以及各向异性的(anisotropic)导电性胶来替代倒装芯片和元件包装运用中的焊锡。

  无铅合金的较高熔化温度可供应一些优势,比方,前进抗拉强度和非常好的温度疲乏阻抗、使其合适于象汽车电子元件这么的高温运用。


  电路板与元件的表面涂层也有必要与无铅焊锡兼容。例如,铜表面涂层的板面上的焊接点或许在机械上和外观上都受较高的无铅焊锡的表面贴装技术(SMT)回流焊接温度的影响,它或许构成锡与铜之间有害金属间化合物的构成。无铅焊锡的外观也是不一样的(比方,某些配方看上去亮光但比传统的锡-铅焊锡缺少一点反光性),或许恳求标准质量控制程序的改动。终究,因为现在没有高含铅(high-lead-bearing)焊锡的替代品存在,所以完全的无铅安装仍是不或许的。

  虽然现在的助焊剂系统与锡-铅焊锡运作出色,无铅替代合金将不会在全部的板元件表面涂层上一样的表现,不会容易地熔湿(wet)以构成一样的金属间化合物焊接类型。因此或许需要改善助焊剂,前进熔湿功用,减少BGA焊接中的空泛。

  志向的无铅焊锡合金将供应制作商出色的电气与机械特性、出色的熔湿(wetting)才能、没有电解腐蚀和枝晶的(dentritic)增加的疑问、可接受的报价、和现在与将来各种方法的可获得性。焊锡将运用传统的助焊剂系统,不恳求运用氮气来保证有用的熔湿。

  满足波峰焊接、SMT和手工安装恳求的无铅替代品今天都可在市场买到,虽然在元件无铅合金、电路板表面涂层兼容性、助焊剂系统开发和技术疑问上恳求更多的研讨。 

  导电性胶(Conductive Adhesive)

  传统上导电性胶作为将集成电路胶接与引脚构造(lead frame)的芯片附着(die-attach)材料运用。它们也用于制作印刷电路的分层,将铜箔附着在电路板或柔性的基底上,以及将电路粘结到散热片。因为无铅建议的作用,导电性胶现已变成附着表面贴装元件焊锡的一个有吸引力的替代品。


  在室温下固化,或暴露在100-150°C温度之间敏捷处理,这些胶对粘结温度活络元件和在象塑料与玻璃这么的不可焊接的基板上供应电气联接是极好的(图二)。因为高度灵活性的配方,导电性胶也是比方柔性电路的安装与修补或柔性基板与联接器粘结这些运用的解决方案(图三)。

  导电性胶供应元件与电路板之间的机械联接和电气联接。有三种类型的电气导电性胶,配方供应需要电气联接的格外用途。与焊锡类似,各向同性的(isotropic)材料在全部方向平等的导电性,可用于有地线通路的元件。导电性硅胶(silicone)帮忙防止元件受环境的危害,比方湿润,并且屏蔽电磁与无线射频烦扰(EMI/RFI)的发射。各向异性的(anisotropic)导电性聚合物或Z轴胶片容许电流只在单个方向活动,供应电气联接性和舒缓倒装芯片元件的应力。

  导电性胶是热固环氧树脂与比方银、镍、金、铜和铟或氧化锡的导电性金属颗粒(或金属涂层)的化合物。恰当软的金属通过胶在固化期间缩短时的变形供应出色的颗粒接触。现在最常见的填充材料是银,因为其报价适中、广泛的来历与优异的导电性。当填充颗粒通过固化的树脂胶承载电流时,即导电也导热。伴生的导热性消除了机械散热的需要,供应在晶体管或微处理器与其散热片之间的有用热传导。

  导电性胶是无铅和无氟氯化碳(CFC-free)的,不危害臭氧层,并且不含VOC。这些材料供应出色的计划灵活性,因为它们可填充异形区域和不一样标准的空隙。较低的胶处理温度减少动力本钱,容许安装中运用报价低价的基板,减少PCB上的温度-机械应力和元件的危害。 

  焊锡与胶的比照 

  无铅焊锡与导电性胶两者都是强有力的候选材料,供应电子元件的电气联接和热传导;但是,每个技术都有其利益和缺陷。取决于运用,某个粘结技术或许供应较好的功用特性,或许供应技术或本钱的优势。

  赋性上,焊锡构成金属基底之间的冶金联接,而导电性胶构成基底表面的机械与化学粘结。冶金联接比导电性胶构成的粘结导电性非常好,一般强度更高。因为胶恳求金属填充物的有用涣散,来供应出色的电气特性。但是填充颗粒易于氧化,或许跟着时间降低胶的导电性,而焊锡易于浸分出(leaching)金属(如,金或铜),它或许脆化和削弱焊接点。胶会构成使金属表面失去光泽和氧化的高强度粘结,这一般是不可焊接的。 

  焊锡的导热性(60-65 W/mK)比胶的(3-25 W/mK)更高。焊锡的体积电阻系数(volume resistivity)为0.000015 ohm.cm,比胶的0.0006 ohm.cm少得多,表明焊锡一般比胶的导电性好。

  虽然无铅焊锡一般在刚性基板上的抗机械冲击比导电性胶非常好,但是焊锡在柔性基板上易于应力开裂。除了有高度柔性的配方以外,导电性胶抗振动与冲击比焊锡好。因为胶不供应焊锡表面张力的自我对中作用,运用胶的元件贴装是关键的,格外是超密距离的元件。对中欠好构成较差的电气接触和对机械力的抵抗力缺乏。

  焊锡很合适于J型引脚元件以及电镀和浸锡元件。胶对具有多孔表面的电镀元件元件与电路板粘结出色。胶也对错可焊与高度柔性的基板的唯一无铅替代。因为胶可运用室温或低温固化机制,它们很合适粘结温度活络的安装和元件。


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