无铅的真正成本
<p class="f14" style="LINE-HEIGHT: 190%;"><font color="#ff0000">本文，直接分析无铅焊锡的成本。</font> </p><div> 本文又要谈一谈无铅(lead-free)。但我的主题不是要海阔天空地谈论什么生态、财政、感情和政治。这方面的主题太多了。</div><div> 虽然大多数的无铅讨论都是集中在焊接上面，但是我们应该记住，无铅这一举动也会影响到电路板的表面涂层、元件引脚和内部元件的互联。</div><div><b>材料</b></div><div> 材料的成本影响焊接的成本，最终影响装配的成本。铅相对便宜，一般地说，没有哪一种替代金属证明是经济的。如果工业从锡/铅合金转移到锡/银/铜合金，工业的领导者们必须认识到，银和铜比铅更贵。尽管不是标准37%的铅由37%的银所取代 - 应该是5%的银 - 但是锡、银和铜的相对成本确实是上去了(表一)。</div><div align="center"><center><table cellspacing="1" cellpadding="3" width="80%" bgcolor="#333333" border="0"><tbody><tr><td width="100%" bgcolor="#ffffff" colspan="3"><div align="center">表一、金属的成本(近似)</div></td></tr><tr><td width="33%" bgcolor="#ffffff">元素</td><td width="33%" bgcolor="#ffffff">每磅金属成本(近似)</td><td width="34%" bgcolor="#ffffff">密度(每立方英寸磅)</td></tr><tr><td width="33%" bgcolor="#ffffff">铅</td><td width="33%" bgcolor="#ffffff">$0.45</td><td width="34%" bgcolor="#ffffff">0.410</td></tr><tr><td width="33%" bgcolor="#ffffff">锌</td><td width="33%" bgcolor="#ffffff">$0.50</td><td width="34%" bgcolor="#ffffff">0.258</td></tr><tr><td width="33%" bgcolor="#ffffff">铜</td><td width="33%" bgcolor="#ffffff">$0.65</td><td width="34%" bgcolor="#ffffff">0.324</td></tr><tr><td width="33%" bgcolor="#ffffff">锑</td><td width="33%" bgcolor="#ffffff">$0.80</td><td width="34%" bgcolor="#ffffff">0.239</td></tr><tr><td width="33%" bgcolor="#ffffff">铋</td><td width="33%" bgcolor="#ffffff">$3.40</td><td width="34%" bgcolor="#ffffff">0.354</td></tr><tr><td width="33%" bgcolor="#ffffff">锡</td><td width="33%" bgcolor="#ffffff">$3.50</td><td width="34%" bgcolor="#ffffff">0.264</td></tr><tr><td width="33%" bgcolor="#ffffff">银</td><td width="33%" bgcolor="#ffffff">$84.20</td><td width="34%" bgcolor="#ffffff">0.379</td></tr><tr><td width="33%" bgcolor="#ffffff">铟</td><td width="33%" bgcolor="#ffffff">$125.00</td><td width="34%" bgcolor="#ffffff">0.264</td></tr></tbody></table></center></div><div><b>材料密度</b></div><div> 当看到各种合金的单位体积价格时(表一)，你会发现与Sn63/Pb37焊锡合金的基准价格相差悬殊。焊锡不是按体积购买的，而是按重量 - 锡膏论公斤；锡条和锡线论磅。在表一中的密度栏显示，替代金属比铅的密度远小的多。</div><div> 表二显示正在考虑的特殊合金的密度。例如，最受欢迎的替代铅的候选合金是Sn96.3/Ag3/Cu0.7，它与Sn63/Pb37之间在密度上的差别几乎达到20%。因此，如果一公斤的Sn63/Pb37产生1,000瓶的锡膏，那么0.8公斤的Sn96.3/Ag3/Cu0.7也将产生同样1,000瓶锡膏。因此，以重量来销售焊锡造成实际成本的下降。</div><div align="center"><center><div>表二、最常考虑的替代合金 </div><table cellspacing="1" cellpadding="0" width="95%" bgcolor="#333333" border="0"><tbody><tr><td bgcolor="#ffffff"><div><b>Alloy </b></div></td><td bgcolor="#ffffff"><div><b>Melting Range (°C) </b></div></td><td bgcolor="#ffffff"><div><b>Metal Cost/lb (US$) </b></div></td><td bgcolor="#ffffff"><div><b>Density at 25°C (lbs/in<sup>3</sup>) </b></div></td><td bgcolor="#ffffff"><div><b>Metal Cost per in<sup>3</sup> (US$) </b></div></td><td bgcolor="#ffffff"><div><b>Metal Cost per in<sup>3</sup> ∆Sn63/Pb37 </b></div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn62/Pb37 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>183 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>2.37 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.318 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.75 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn42/Bi58 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>139 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>3.44 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.316 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>1.09 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+45% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn77.2/In20/Ag2.8 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>179-189 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>30.06 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.267 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>8.02 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+970% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn91/Zn9 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>199 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>3.23 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.263 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.85 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+13% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn91.8/Ag3.4/Bi4.8 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>208-115 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>6.24 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.272 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>1.70 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+125% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn90/Bi7.5/Ag2/0.5Cu </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>186-112 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>5.09 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.273 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>1.39 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+85% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn96.2/Ag2.5/Cu0.8/Sb0.5 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>213-119 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>5.48 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.267 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>1.46 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+95% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn96.3/Ag3/Cu0.7 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>217-118 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>5.9 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.268 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>1.58 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+110% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn95/Ag3.5/In1.5 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>218 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>8.15 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.268 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>2.18 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+190% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn93.5/Ag3.5/Bi3 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>216-120 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>5.92 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.269 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>1.59 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+110% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn96.5/Ag3.5 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>221 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>6.32 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.368 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>2.33 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+125% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn99.3/Cu0.7 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>227 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>3.48 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.264 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.92 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+23% </div></td></tr><tr><td bgcolor="#ffffff"><div>Sn95/Sb5 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>232-140 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>3.37 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.263 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>0.88 </div></td><td bgcolor="#ffffff"><div>+17% </div></td></tr></tbody></table></center></div><div><b>制造工艺</b></div><div> 当焊锡生产时，每一种合金的金属锭以适当的比率投入到焊锡制造商的焊锡罐中。例如，如果制造商想要生产Sn60/Pb40合金的焊锡条，那末锡罐中装的是60%的锡锭和40%的铅锭。这些元素熔合在一起，最终形成锡条，在波峰焊接机的锡罐中使用。制造商可以用该相同的合金拔成锡线。如果要制造Sn63/Pb37的锡膏，锡罐中装的是63%的锡锭和37%的铅锭。合成出来的焊锡通过一个特殊的工艺粉化，使用一系列的筛子得到规定直径的粉末。</div><div> 可是，考虑中的三元和四元合金将要求更准确的成分控制。不是简单地在焊锡制造时加入单个的金属，制造商将很可能不得不增加一个额外的预先调制合金的工序。以96.3%的一种金属、3%的另一种和0.7%的第三种来调制一种合金要求极高的精确度。这些金属必须在严密控制的条件下结合起来，所得到的合金送到机器中心，在这里制造焊锡。这个额外的工序造成额外的制造成本。</div><div><b>专利</b></div><div> 美国国家电子制造促进会(NEMI, National Electronics Manufacturing Initiative's, Herndon, VA)的无铅焊锡指引企图推导出一个不受专利限制的无铅合金标准。其目的是，一个工业标准不应该允许个人简单地依靠知识产权而受益。尽管如此，许多专利正出自欧洲、北美和日本。实际上所有替代合金都被专利所保护。锡、银、铜、铋和锑的所有关键结合都已被人获取，包括锡/银/铜。</div><div> 其结果是，我们几乎可以肯定无铅焊锡合金的部分成本是某个人或实体的专利权使用费。这可能将增加大约2~8%的合金成本。</div><div><b>结论</b></div><div> 不管无铅焊锡与涂层的使用广度如何，再生与回收还是一个非常可行的方向。不是要不断地开发和报废一类更加昂贵的耗损产品，而是我们应该循环使用我们现有的东西。请记住，这是我们所有人的责任。</div><div> </div><div><b>Acknowledgment:</b> <br/>The author wishes to express special thanks to Bruce Moloznick of Alpha Metals, Heather Wutke of Kester Solder and David Suraski of A.I.M. Solder. </div><b>Phil Zarrow </b>is president and surface-mount process consultant for ITM Consulting, Durham, NH; (603) 868-1754;
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