激光诱导击穿光谱LIBS | 使用LIBS测试焊锡丝中的主要成分

2022-12-09 20:42:34 北京爱蛙科技有限公司

铅及其化合物对人体有害，且不易排出。采用激光诱导击穿光谱方法可实现对无铅焊锡丝和含铅焊锡丝的快捷鉴别。

技术背景

铅（Pb）是一种常见的重金属元素。铅及其化合物对人体有害，在人体中累计后不易排出，从而损害人体的神经系统、造血系统、骨骼系统和肾脏。并且，儿童对铅的敏感度远高于成年人，他们处于生长发育阶段，其骨骼和神经系统对进入体内的铅的亲和力更强。如果儿童体内含铅量过高，容易出现发育迟缓、食欲不振、行走不便、多动、注意力不集中和智力低下等问题。

随着信息化社会的发展，电子产品充斥了人们生活的方方面面，而该类产品往往是人们能够接触到的铅污染源之一。早在2006年的时候，欧盟就立法制定了一项强制性标准，它的全称是《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》，也就是我们常常提到的RoHS，该标准的目的在于消除电器电子产品中的铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚共六项物质对人体和环境的影响，并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。

在电子产品的研发和生产中，电子元件与电路板的焊接是一项关键工作，通常使用的焊锡丝有两种，一种是铅锡合金焊锡丝，另一种是无铅焊锡丝。其中铅锡合金焊锡丝的熔点较低，焊点通常明亮细腻，锡渣较少，由于其熔点较低加上易于流动的特性在焊接微小器件的时候尤其的方便；而无铅焊锡是环保焊锡，其无铅的特性，对环境和人体的影响很小，但是焊接时对工具的要求较高，同时需要使用者有不错的电子电路焊接技巧。

检测方案

我们计划使用实验室常用的两种焊锡进行测试，来探索无铅锡和有铅焊锡的区别。右图右侧是锡铅合金焊锡丝，Pb/Sn比列为37/63，左侧是无铅焊锡。本次试验采用激光诱导击穿光谱方法进行测试，该技术的原理为高能量脉冲激光烧蚀物体，使物体表面的组成元素发生等离子体化，并发射出具有这些元素特征的等离子体光谱，包括原子、离子、分子特征频谱线，这些谱线可用于物体中元素组成的定性或定量分析。

我们使用海洋光学LIBS测量系统ACCULIBS 2500，首先对一截铅锡合金焊锡丝进行测试，将激光能量设置为200mJ，并使用常规激光光斑~200um，以及自动对焦功能。瞄准样品表面后连续进行了20次激光激发，下图为锡铅合金焊锡丝的原始图谱和测试后样品的形貌和激光烧灼痕迹。

接下来我们再对一截无铅焊锡丝进行测试，采用相同的参数连续进行了20次激光激发，下图为锡铅合金焊锡丝的原始图谱和测试后样品的形貌和烧灼痕迹。

检测结果

我们处理了原始数据，我们先查询了两种焊锡丝的国家标准配方表，铅锡合金焊锡丝中含有63%的锡，约为37%的铅和其他百分比小于0.1%的元素，例如0.02%的Fe等。无铅焊锡中含有超过99%的锡，以及Cu，Ag等掺料，我们发现两种焊锡中均含有0.02%的Fe。因此在后续的数据处理中，Fe可以作为两种焊锡丝的分析参考。我们取了242.9nm处Sn的谱线，282.3nm处Pb的谱线，248.3nm处Fe的谱线，作为三条分析谱线。由于焊锡丝长期暴露在空气表面容易有杂质和氧化层影响，传统的测试方法在测试前会进行表面打磨，LIBS实验中仅仅需要用几次激光脉冲击打在样品表面即可完成表面清洗，因此我们将采样过程中前5次数据剔除，仅仅分析后15次采样的数据。结果如下：