技術文章
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無鉛片相關知識與應用
【RoHS法規簡介】
RoHS是歐盟立法所制定的強制性標準,全名為《限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》(Restriction of Hazardous Substances)。這項標準自2006年7月1日起實施,主要目的是規範電子電氣產品中的材料和技術標準,用以保護人體健康和環境。
RoHS指令限制在電子和電器產品中使用以下有害物質:
(這些物質的使用限制通常不超過0.1%的重量比例)
鉛 (Pb)
汞 (Hg)
鎘 (Cd)
六價鉻 (Cr VI)
聚溴聯苯 (PBB)
聚溴二苯醚 (PBDE)RoHS指令的適用範圍廣泛,包括各種工作電壓小於1000V交流或1500V直流的設備,如家用電器、照明設備、電子工具、玩具、醫療器械等。因為它涉及到產品的環保設計和回收處理問題,因此這項法規對於產品進入歐盟市場來說為重要指標之一。
【壓電工作原理與壓電效應材料】
壓電片之所以能夠在通電產生形變使用,其主要原因是因為壓電片之上有一層具有壓電效應的複合
性材料作為壓電陶瓷,極化後通電才會有作用。常見具有壓電效應的材料如下:
1.天然晶體:石英,蔗糖,酒石酸鉀鈉,黃玉,電氣石,柏林石。
2.人造水晶:正磷酸鎵,蘭克賽 (LGS)
3. 壓電陶瓷:鈦酸鋇 (BaTiO3), 鈦酸鉛(PbTiO3 ), 鋯鈦酸鉛(PZT), 鈮酸鉀(KNbO3 ), 鈮酸鋰(LiNbO3 ), 鉭酸鋰(LiTaO3),鎢酸鈉(Na2WO4),鈮酸鉀鈉(NaKNb), 鉍鐵氧體(BiFeO3 ) ,鈮酸鈉(NaNbO3 ) ,氮化鋁ALN, 氧化鋅ZnO
4. 生物壓電材料:肌腱, 木頭, 絲綢, 搪瓷, 牙本質, 膠原【無鉛壓電陶瓷】
在前面提到的這些複合性材料之中,其中有一個主要材料為鋯鈦酸鉛(PZT),傳統的PZT材料起源于1950年左右,經過這多年的發展改良,材料體系及性能已很成熟,已經是目前壓電陶瓷的主流材料,但因其成份含鉛量過高,回收上會對環境造成較大的傷害與影響。
如果單獨將PZT的鉛移除,且同時希望可以保持原有的壓電性能,可使用釔 (Yttrium)替代鉛或稀土元素來取代鉛,但經過許多實驗證明,不含鉛成份的配方,壓電性能大都會衰減或是會有量產良率較低等缺點,較難去替代鋯鈦酸鉛。
而近二十而年多來,材料鈮酸鉀鈉(KNN)從1997年開始研究用來應用在壓電陶瓷上,在2004年所採用的KNN製程,已開發出電器特性與PZT性能接近的標準,雖工藝仍是複雜、成本仍較高,但經過多年不斷的試驗及改進,近一兩年已取得明顯進展,部分機種已經開始可應用於電子級材料。
【有鉛陶瓷與無鉛陶瓷差異比較】
傳統含鉛之壓電片材料為鋯鈦酸鉛(PZT),通常鉛含量約大於650,000 ppm;無鉛裸片改用新材料鈮酸鉀鈉(KNN),鉛含量可達到小於1,000 ppm,另外其代表效能的壓電係數表格來看,有鉛無鉛之間的差異性也很小。
製成的部分有鉛與無鉛的壓電片製程上工藝基本上是一樣的,但因為材料配方不同,所以其製程參數會有所不同,其中最主要的差異如下:
聲學特性的部分我們套用在KS的實驗外殼中,可以看到目前無鉛的特性已經可以很接近傳統有鉛片的特性。