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無鉛錫膏與導電性膠
編輯:978彩票   時間:2017-07-31

世界上,對替代品的愛好正在戲劇性地增加,首要因為在亞洲和歐洲都初步敏捷地消除含鉛焊錫在電子安裝中的出現。日本的電子制作商現已自願地懇求到2001年在國内制作或銷售的産品是無鉛的。歐洲也在懇求無鉛電子,正如1998報廢電氣與電子設備指示(WEEE)所懇求的那樣。但是,因為歐洲社會的對立,終究期限沒有判定,現在的截止日期估計在2004年往後。有許多理由支撐把鉛從電子焊錫材猜中消除的極力。除了來自該元素毒性的環境壓力以外,其它動機包括有害廢物處理的注重、工作場合安全性考慮、設備可靠性疑問、市場競争性、以及環境一起形象的維護。

  現在北美電子制作商所飽受的壓力本來是經濟上的,而不是法令上的。為了消除其産品再不能出口到亞洲和歐洲電子市場的危險,制作商們正在尋找可行的含鉛焊錫的替代者,包括無鉛焊錫材料與可導電性膠。


  無鉛焊錫

  無鉛焊錫技術不是新的。多年來,許多制作商現已在一些恰當方位運用中運用了無鉛合金,供應較高的熔點或滿足格外的材料懇求。但是,今天無鉛焊錫研讨的目的是要抉擇哪些合金應當用來替代現在每年運用的估計50,000噸的錫-鉛焊錫。撤銷資源豐富報價廉價的(大約每磅0.40美元)鉛,代之以另外的元素,原材料的本錢或許增加許多。

  選擇用來替代鉛的材料有必要滿足各種懇求:


  1.它們有必要在世界範圍内可得到,數量上滿足全球的需要。某些金屬 - 如铟(Indium)和铋(Bismuth) - 不能得到大的數量,隻夠用作無鉛焊錫合金的增加成分。 

  2.也有必要考慮到替代合金是無毒性的。一些考慮中的替代金屬,如镉(Cadmium)和碲(Tellurium),是毒性的;其它金屬,如銻(Antimony),因為改動法規的作用或許落入毒性種類。 

  3.替代合金有必要可以具有電子工業運用的全部方法,包括返工與修補用的錫線、錫膏用的粉末、波峰焊用的錫條、以及預成型(preform)。不是全部建議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錫線。 

  4.替代合金還應當是可循環再生的 - 将三四種金屬加入到無鉛替代焊錫配方中或許使循環再生進程複雜化,并增加本錢。 

  不是全部的替代合金都可輕易地替代現有的焊接進程。美國國家制作科學基地(NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在1997年得出結論,對共晶錫-鉛焊錫沒有“刺進的(drop-in)”替代品。1994年結束的,作為歐洲IDEALS方案一部分的研讨發現,逾越200種研讨的合金中,不到10種無鉛焊錫選擇是可行的。

  數量上滿足滿足焊錫的許多需要的元素包括,錫(Sn, tin)、銅(Cu, copper)、銀(Ag, silver)和銻(Sb, antimony)。商業上可行的一些無鉛焊錫的比方包括,99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在這些替代合金内的全部這些元素具有與錫-鉛焊錫不一樣的熔點、機械功用、熔濕特性和外觀。現在工業趨向于運用靠近共晶的錫銀銅(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。

  大都無鉛合金,包括錫-銀-銅,具有逾越200°C的熔點 - 高于傳統的錫-鉛合金的大約180°C的熔點。這個升高的熔點将懇求更高的焊接溫度。對于元件包裝和倒裝芯片安裝,無鉛焊錫的較高熔點或許是一個注重,因為元件包裝基底或許不能忍受升高的回流溫度(圖一)。計劃者現在正在研讨替代的基底材料,可忍受更高的溫度,以及各向異性的(anisotropic)導電性膠來替代倒裝芯片和元件包裝運用中的焊錫。

  無鉛合金的較高熔化溫度可供應一些優勢,比方,前進抗拉強度和非常好的溫度疲乏阻抗、使其合适于象汽車電子元件這麼的高溫運用。


  電路闆與元件的表面塗層也有必要與無鉛焊錫兼容。例如,銅表面塗層的闆面上的焊接點或許在機械上和外觀上都受較高的無鉛焊錫的表面貼裝技術(SMT)回流焊接溫度的影響,它或許構成錫與銅之間有害金屬間化合物的構成。無鉛焊錫的外觀也是不一樣的(比方,某些配方看上去亮光但比傳統的錫-鉛焊錫缺少一點反光性),或許懇求标準質量控制程序的改動。終究,因為現在沒有高含鉛(high-lead-bearing)焊錫的替代品存在,所以完全的無鉛安裝仍是不或許的。

  雖然現在的助焊劑系統與錫-鉛焊錫運作出色,無鉛替代合金将不會在全部的闆元件表面塗層上一樣的表現,不會容易地熔濕(wet)以構成一樣的金屬間化合物焊接類型。因此或許需要改善助焊劑,前進熔濕功用,減少BGA焊接中的空泛。

  志向的無鉛焊錫合金将供應制作商出色的電氣與機械特性、出色的熔濕(wetting)才能、沒有電解腐蝕和枝晶的(dentritic)增加的疑問、可接受的報價、和現在與将來各種方法的可獲得性。焊錫将運用傳統的助焊劑系統,不懇求運用氮氣來保證有用的熔濕。

  滿足波峰焊接、SMT和手工安裝懇求的無鉛替代品今天都可在市場買到,雖然在元件無鉛合金、電路闆表面塗層兼容性、助焊劑系統開發和技術疑問上懇求更多的研讨。 

  導電性膠(Conductive Adhesive)

  傳統上導電性膠作為将集成電路膠接與引腳構造(lead frame)的芯片附着(die-attach)材料運用。它們也用于制作印刷電路的分層,将銅箔附着在電路闆或柔性的基底上,以及将電路粘結到散熱片。因為無鉛建議的作用,導電性膠現已變成附着表面貼裝元件焊錫的一個有吸引力的替代品。


  在室溫下固化,或暴露在100-150°C溫度之間敏捷處理,這些膠對粘結溫度活絡元件和在象塑料與玻璃這麼的不可焊接的基闆上供應電氣聯接是極好的(圖二)。因為高度靈活性的配方,導電性膠也是比方柔性電路的安裝與修補或柔性基闆與聯接器粘結這些運用的解決方案(圖三)。

  導電性膠供應元件與電路闆之間的機械聯接和電氣聯接。有三種類型的電氣導電性膠,配方供應需要電氣聯接的格外用途。與焊錫類似,各向同性的(isotropic)材料在全部方向平等的導電性,可用于有地線通路的元件。導電性矽膠(silicone)幫忙防止元件受環境的危害,比方濕潤,并且屏蔽電磁與無線射頻煩擾(EMI/RFI)的發射。各向異性的(anisotropic)導電性聚合物或Z軸膠片容許電流隻在單個方向活動,供應電氣聯接性和舒緩倒裝芯片元件的應力。

  導電性膠是熱固環氧樹脂與比方銀、鎳、金、銅和铟或氧化錫的導電性金屬顆粒(或金屬塗層)的化合物。恰當軟的金屬通過膠在固化期間縮短時的變形供應出色的顆粒接觸。現在最常見的填充材料是銀,因為其報價适中、廣泛的來曆與優異的導電性。當填充顆粒通過固化的樹脂膠承載電流時,即導電也導熱。伴生的導熱性消除了機械散熱的需要,供應在晶體管或微處理器與其散熱片之間的有用熱傳導。

  導電性膠是無鉛和無氟氯化碳(CFC-free)的,不危害臭氧層,并且不含VOC。這些材料供應出色的計劃靈活性,因為它們可填充異形區域和不一樣标準的空隙。較低的膠處理溫度減少動力本錢,容許安裝中運用報價低價的基闆,減少PCB上的溫度-機械應力和元件的危害。 

  焊錫與膠的比照 

  無鉛焊錫與導電性膠兩者都是強有力的候選材料,供應電子元件的電氣聯接和熱傳導;但是,每個技術都有其利益和缺陷。取決于運用,某個粘結技術或許供應較好的功用特性,或許供應技術或本錢的優勢。

  賦性上,焊錫構成金屬基底之間的冶金聯接,而導電性膠構成基底表面的機械與化學粘結。冶金聯接比導電性膠構成的粘結導電性非常好,一般強度更高。因為膠懇求金屬填充物的有用渙散,來供應出色的電氣特性。但是填充顆粒易于氧化,或許跟着時間降低膠的導電性,而焊錫易于浸分出(leaching)金屬(如,金或銅),它或許脆化和削弱焊接點。膠會構成使金屬表面失去光澤和氧化的高強度粘結,這一般是不可焊接的。 

  焊錫的導熱性(60-65 W/mK)比膠的(3-25 W/mK)更高。焊錫的體積電阻系數(volume resistivity)為0.000015 ohm.cm,比膠的0.0006 ohm.cm少得多,表明焊錫一般比膠的導電性好。

  雖然無鉛焊錫一般在剛性基闆上的抗機械沖擊比導電性膠非常好,但是焊錫在柔性基闆上易于應力開裂。除了有高度柔性的配方以外,導電性膠抗振動與沖擊比焊錫好。因為膠不供應焊錫表面張力的自我對中作用,運用膠的元件貼裝是關鍵的,格外是超密距離的元件。對中欠好構成較差的電氣接觸和對機械力的抵抗力缺乏。

  焊錫很合适于J型引腳元件以及電鍍和浸錫元件。膠對具有多孔表面的電鍍元件元件與電路闆粘結出色。膠也對錯可焊與高度柔性的基闆的唯一無鉛替代。因為膠可運用室溫或低溫固化機制,它們很合适粘結溫度活絡的安裝和元件。


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