لحیم قلع در مقابل لحیم کاری سرب: کدام یک را باید استفاده کنید؟

بحث بین لحیم کاری سرب و بدون سرب نزدیک به دو دهه است که در تولید لوازم الکترونیکی ادامه دارد، و صادقانه بگویم، این موضوع به جای کمتر، پیچیده تر شده است. لحیم یوتکتیک Sn63/Pb37-ذوب دقیقاً در 183 درجه -در بخش بهتری از یک قرن قبل از اینکه مقررات زیست محیطی تغییری عظیم را تحمیل کند، بر صنعت تسلط داشت. امروزه، آلیاژهای SAC (قلع-نقره-مس) به پیش‌فرض در لوازم الکترونیکی مصرفی تبدیل شده‌اند، با این حال لحیم کاری سرب از مرگ بی‌صدا خودداری می‌کند. درک تفاوت‌های متالورژیکی، چشم‌انداز مقرراتی، و تخفیف‌های تجاری{11}}دیگر اختیاری نیست. برای هر کسی که با PCB کار می کند ضروری است، چه در حال راه اندازی یک خط تولید باشید یا فقط اسباب بازی شکسته کودک خود را تعمیر کنید.

شیمی که هیچ کس نمی خواهد در مورد آن صحبت کند

در اینجا نکته ای در مورد سرب در لحیم کاری است که بیشتر مقالات آن را براق می کنند: تصادفی وجود ندارد. سرب نقطه ذوب را به طور چشمگیری کاهش می دهد. قلع خالص در دمای 232 درجه ذوب می شود. 37 درصد سرب اضافه کنید و ناگهان به 183 درجه می رسید. این یک تفاوت جزئی نیست-این تفاوت بین یک جزء زنده مانده از جریان مجدد و یک مؤلفه در حال مرگ است.

نکته یوتکتیک بیش از آن چیزی است که مردم بدانند اهمیت دارد. با نسبت سرب دقیقاً 63/37 قلع{3}}، آلیاژ فوراً از جامد به مایع تبدیل می‌شود. بدون محدوده خمیری در حالتی که لحیم نیمی-ذوب شده و نیمه جامد-است، عجیب نیست. فقط رفتار تمیز و قابل پیش بینی.

SAC305 (96.5% قلع، 3% نقره، 0.5% مس)؟ در 217-220 درجه ذوب می شود. و یوتکتیک واقعی ندارد-همیشه یک محدوده خمیری کوچک وجود دارد. تا زمانی که با اجزای حساس به حرارت سر و کار نداشته باشید یا بخواهید یک برد را بدون از بین بردن قطعات مجاور دوباره کار کنید، بی اهمیت به نظر می رسد.

چرا سرب-رایگان اتفاق افتاد (و چرا پیچیده است)

RoHS. این پاسخ کوتاه است.

دستورالعمل محدودیت مواد خطرناک اتحادیه اروپا در 1 ژوئیه 2006 اجرایی شد و صنعت الکترونیک هرگز مانند قبل نبوده است. حداکثر غلظت مجاز سرب: 1000 ppm (0.1 درصد وزنی) در مواد همگن. ژاپن استانداردهای مشابهی داشت، اگرچه استانداردهای آنها حتی در 500 پی پی ام سخت تر بود.

اما اینجاست که جالب می شود. این بخشنامه شامل معافیت هایی می شود. برنامه‌های کاربردی-با قابلیت اطمینان بالا-سرورها، زیرساخت‌های شبکه، دستگاه‌های پزشکی، هوافضا، ارتش-هنوز می‌توانند از لحیم کاری سرب استفاده کنند. چرا؟ زیرا هیچ کس نمی خواست ضربان سازها به دلیل سبیل های حلبی از کار بیفتند. هیچ کس نمی خواست که هواپیماهای اویونیک اتصالات سرد را در 30000 فوت توسعه دهند.

معافیت ها نیز همچنان تمدید می شوند. اخیراً در سال 2025، اتحادیه اروپا معافیت‌های سرب را برای{2}}لحیم‌های حرارتی بالا (بیش از یا برابر با 85٪ محتوای سرب) تا سال 2027 تمدید کرد. دلیل رسمی؟ جایگزین ها هنوز به اندازه کافی قابل اعتماد نیستند. بعد از تقریبا 20 سال. بگذار آن غرق شود.

خیس شدن. همه چیز درباره خیس کردن است.

تکنسین‌های باتجربه را تماشا کرده‌ام که سال‌ها با لحیم‌های بدون سرب{0}}دست و پنجه نرم می‌کنند، و بیشتر ناامیدی آنها به یک خاصیت مربوط می‌شود: خیس کردن.

لحیم کاری سرب جریان دارد. روی مس مانند آب روی تابه داغ پخش می شود. زاویه تماس کم است، کشش سطحی به نفع شما عمل می کند و مفاصل تقریباً به طور طبیعی شکل می گیرند. در واقع می‌توانید تماشا کنید که-لحیم‌کننده خودش را به سمت گرما می‌کشد، دور سیم‌ها می‌پیچد، ویاها را پر می‌کند.

سرب-رایگان؟ آنجا می نشیند. سرسختانه. شما باید آن را ترغیب کنید. شار سخت‌تر کار می‌کند، سریع‌تر می‌سوزد، و قبل از اینکه اکسیداسیون مفصل شما را بکشد، پنجره باریک‌تری دارید. زاویه تماس بیشتر است، به این معنی که توپ های لحیم کاری به جای پخش شدن، بالا می روند.

این موضوعی نیست زمان خیس شدن آلیاژهای SAC در دماهای قابل مقایسه به طور قابل اندازه گیری بیشتر از Sn63/Pb37 است. برخی از تولیدکنندگان ادعا می کنند که فرمول های شار آنها این شکاف را بسته است. آنها بیشتر دروغ می گویند، یا حداقل اغراق می کنند.

مشکل دما کسی حل نشد

سی-درجه سانتیگراد.

این تفاوت بین نقطه ذوب قلع یوتکتیک-سرب (183 درجه) و SAC305 (217 درجه) است. تا زمانی که در نظر نگیرید در کوره جریان مجدد چه اتفاقی می افتد، زیاد به نظر نمی رسد.

حداکثر دمای جریان مجدد برای مجموعه های سربی: 225-235 درجه. برای بدون سرب: 255-265 درجه. اجزای شما برای مدت طولانی تری در دمای بالاتر خیس می شوند. تخته شما بیشتر تاب می خورد. رطوبت محبوس شده در بسته های پلاستیکی انرژی بیشتری برای تبخیر و ایجاد پاپ کورن دارد. رشد ترکیبات بین فلزی تسریع می شود.

و حاشیه ها کاهش می یابد. با لحیم کاری سرب، شما تقریباً 40-50 درجه فضای سر بین ذوب و آسیب داشتید. با بدون سرب، آن پنجره به 25-30 درجه باریک می شود. کنترل فرآیند حیاتی می شود. پروفایل reflow شما بهتر است به طور کامل شماره گیری شود، وگرنه در حال حذف تخته ها هستید.

من دیده ام که خطوط تولید بدون سرب-و یک شبه نرخ عیب آنها سه برابر شده است. نه به این دلیل که کسی کار اشتباهی انجام داده است-پنجره فرآیند بسیار تنگ‌تر شده است.

Tin Whiskers: The Ghost in the Machine

 

 

این سزاوار بخش خاص خود است زیرا واقعاً وحشتناک است.

سبیل های حلبی ساختارهای کریستالی هستند که به طور خود به خود از سطوح خالص قلع رشد می کنند. آنها نازک هستند-گاهی اوقات فقط یک یا دو میکرون قطر دارند-و طول آنها می تواند به چندین میلی متر برسد. باعث شورت می شوند. آنها ماهواره ها را پایین آورده اند. آنها سیستم های کنترل نیروگاه هسته ای را غیرفعال کرده اند. این فرضی نیست. موارد مستند وجود دارد

سرب از تشکیل سبیل جلوگیری می کند. حتی مقادیر کم-به اندازه 3%-به طور چشمگیری رشد سبیل را کاهش می دهد. مکانیسم به طور کامل درک نشده است، اما شواهد تجربی بسیار زیاد است.

لحیم کاری آزاد{0}}سرب دارای محتوای قلع بالاتری است. سطوح بدون سرب-(مانند آبکاری قلع خالص) اساساً مزارع سبیل هستند که منتظر وقوع هستند. واکنش صنعت؟ پوشش منسجم. مدیریت دقیق استرس به امید بهترین ها.

برخی از تولید کنندگان بیسموت یا عناصر دیگر را برای سرکوب سبیل اضافه می کنند. نتایج مختلط است. مشکل حل نشده است-به نوعی مدیریت شده است.

وقتی در حال لحیم کاری هستید واقعا چه اتفاقی می افتد

الان سه تا پنج ثانیه

مفصل دانه‌دار، کمی کدر به نظر می‌رسد (این برای{0}}بدون سرب طبیعی است، اما برای هرکسی که روی سرب آموزش دیده است اشتباه به نظر می‌رسد)

شاید قابل قبول باشد، شاید دوباره کار شود

بازخورد لمسی نیز متفاوت است. لحیم کاری سرب دار روش رضایت بخشی برای گیرکردن از جامد به مایع دارد. سرب-رایگان بیشتر است، کمتر تعریف شده است. افراد با تجربه تنظیم می کنند. مبتدی ها مبارزه می کنند.

موارد بهداشتی (چون کسی همیشه می پرسد)

بله، سرب سمی است. بحثی وجود ندارد.

قرار گرفتن در معرض مزمن سرب باعث آسیب های عصبی، مشکلات کلیوی، مشکلات تولید مثل، تاخیر در رشد در کودکان می شود. سطح سرب خون بالاتر از 5 میکروگرم در دسی لیتر طبق استانداردهای CDC بالا در نظر گرفته می شود. محدودیت های مواجهه شغلی دلایل خوبی وجود دارد.

اما-و این مهم است-مسیر تماس اولیه با پوست نیست. بلع است دست های خود را بعد از لحیم کاری بشویید. سر میز کارتان غذا نخورید بهداشت اولیه بیشترین خطر را از بین می برد.

بخارهایی که هنگام لحیم کاری می بینید؟ این سوزاندن شار است، نه بخار سرب. نقطه جوش سرب 1749 درجه است. آهن لحیم کاری شما به جایی نزدیک نمی شود. مقداری اکسید سرب می تواند تشکیل شود و در هوا پخش شود، اما غلظت آن در دمای معمولی لحیم کاری کم است.

مسائل تهویه کافی دستگاه های بخار گیر کمک می کنند. اما ترس در مورد لحیم کاری سربی برای استفاده علاقمندان تا حدودی اغراق آمیز شده است. تنظیمات صنعتی با قرار گرفتن در معرض مداوم و کنترل های ناکافی داستان متفاوتی است.

سرب-بدون خطر هم نیست-. دود شار روزین باعث ایجاد حساسیت تنفسی در برخی افراد می شود. دمای لحیم کاری بالاتر به معنای محصولات تجزیه شار بیشتر است. جایگزین "ایمن تر" مشکلات خاص خود را دارد.

قابلیت اطمینان: حقیقت ناخوشایند

در اینجا چیزی است که مبلغان{0}رایگان سرب آن را تبلیغ نمی‌کنند: برخی از آلیاژهای SAC در واقع از قلع-در معیارهای قابلیت اطمینان خاص عملکرد بهتری دارند.

دوچرخه سواری حرارتی؟ SAC305 اغلب مقاومت خستگی بهتری نشان می دهد. عملکرد در دمای بالا-؟ سرب-رایگان بهتر نگه می دارد. مقاومت در برابر خزش؟ به طور کلی در آلیاژهای SAC برتری دارد.

اما

عملکرد شوک افت؟ لحیم کاری سرب برنده است. مفاصل انعطاف پذیرتر هستند و کمتر در معرض شکستگی شکننده هستند. مقاومت در برابر لرزش؟ نیز رهبری کرد. محیط های سرد؟ لحیم بدون سرب-به طور فزاینده ای زیر صفر درجه شکننده می شود. حتی پدیده ای به نام "آفت قلع" وجود دارد که در آن قلع به یک ساختار کریستالی متفاوت زیر 13 درجه تبدیل می شود، اگرچه در آلیاژها نادر است.

پاسخ واقعی این است که قابلیت اطمینان به برنامه شما بستگی دارد. هیچکدام به طور جهانی "بهتر" نیستند. هر کس غیر از این به شما بگوید چیزی را می فروشد.

تفکیک هزینه

هیچ کس به اندازه کافی در این مورد صحبت نمی کند.

هزینه مواد خام برای آلیاژهای SAC 2-3 برابر بیشتر از سرب قلع است. نقره ارزان نیست برای عملیات لحیم کاری موجی که در آن یک گلدان لحیم مذاب نگهداری می کنید، این کار به سرعت انجام می شود.

اما این فقط مواد مستقیم است. فاکتور در:

• مولفه‌های دارای رتبه بالاتر{{0} (برخی نمی‌توانند دمای جریان بدون سرب را تحمل کنند)
• افزایش هزینه انرژی برای فرآیندهای{0}در دمای بالاتر
• جایگزینی مکرر نوک (سرب{0}}آهن را سریعتر می خورد)
• کنترل های فرآیند سخت تر
• نرخ دوباره کاری بالاتر

یک مطالعه افزایش هزینه کل را 5-15% برای تبدیل بدون سرب در خطوط SMT معمولی تخمین زد. مسافت پیموده شده شما متفاوت خواهد بود، اما هرگز رایگان نیست.

پس کدام را باید استفاده کنید؟

کاملاً به زمینه بستگی دارد.

افکار نهایی (نوعی)

این صنعت به سمت پیشرو حرکت کرد-نه به این دلیل که از نظر فنی برتر است-از بسیاری جهات چنین نیست-بلکه به این دلیل که مقررات زیست محیطی آن را ایجاب می کرد. این خوب است. مسائل حفاظت از محیط زیست اما بیایید وانمود نکنیم که انتقال بدون درد بوده است یا اینکه لحیم{6}}آزاد سرب از نظر عینی برای الکترونیک "بهتر" است.

پس از بیست سال، ما هنوز با خطرات سبیل قلع سروکار داریم، همچنان از معافیت‌ها برای کاربردهای حیاتی استفاده می‌کنیم، و همچنان برای فرآیندی که کنترل آن سخت‌تر است، هزینه بیشتری می‌پردازیم. ممکن است نسل بعدی مهندسان هرگز لحیم کاری سربی را لمس نکنند که احتمالا برای آنها خوب است. آنها نمی دانند چه چیزی را از دست داده اند.

برای بقیه: از آنچه برای برنامه شما منطقی است استفاده کنید. از مقررات در جایی که اعمال می شود پیروی کنید. کسی را که به شما می گوید ساده است باور نکنید. هرگز نبود.