無鉛轉換的加速進程與SMT的問題

時間:2019-03-21 08:24:43 分享到:
半導體和電子制造商目前都必須面對一個環境保護問題,即如何符合歐共體頒布的兩個管理規定,《電子電氣設備廢棄物(WEEE)》和《有害物質的限制法案(RoHS)》。
  電子工業正面臨環境保護的挑戰,不僅電子產品需要是環保的,電子制造的過程也必須滿足環境友好的 要求。歐共體頒布的二個用于環境保護的管理規定,即《電子電氣設備廢棄物(WEEE)》和《有害物質的限制法案(RoHS)》,要求鉛和其它有害物質在電子產品及其生產過程中的使用,必須在2006年7月1號之前得到管理。半導體和電子制造商都必須對此采取相應措施。
  幾乎所有電子電氣產品都是將半導體器件焊在印制板上。這些產品達到使用壽命報廢后,通常被進行填 埋處理。錫鉛焊料由于其使用方便、價格經濟、電氣和機械性能良好的特性,多年來一直被廣泛用于電氣連接。然而,近年來由于環境污染,酸雨開始與填埋的鉛廢 料發生化學反應,酸雨將鉛轉化成很易溶于水的離子化合物,污染水源。無鉛焊料和焊接工藝的研發因此成為重要的環境問題。
  雖然美國迄今還沒有類似的立法規定,但歐州要求在半導體和電子設備中減少鉛的使用,并規定在2006年7月1日完全實行無鉛裝配。這將會對全球市場產生廣泛影響。在過渡期間,全球的供應商必須選擇,是否完全從 有鉛轉換至無鉛生產,還是使用有鉛和無鉛參混的生產模式。后者必須在生產、材料和產品等方面進行細仔的跟蹤。為了減少混合生產模式中供應商和客戶長期面臨的供應鏈風險,同時也為盡快轉換到生產環保產品,Toshiba建議工業界縮短此過渡期,在2004年完成從有鉛到無鉛組裝的轉換。
  為縮短向無鉛轉換的時間,OEM、合同制造商(CM)和半導體供應商需要緊密合作。業界對各個環節的支持以及承擔的義務,是有效實現無鉛、開發更寬泛的工藝窗口和生產制程的關鍵。為幫助業界理解眼前面臨的問題,以下綜述了與無鉛化轉換有關的商業和技術問題。
  技術問題
  雖然離歐盟建議的管理規定的實施還有近三年的限期,電子元器件制造商、消費類電子產品公司、學院 和其他組織都已經對無鉛制造做了細致深入研究。然而仍有大量有待予以解決的技術問題,會影響供應商和客戶。首先,無鉛的標準還沒有制定;其次,質量和可靠 性測試還待標準化;另外,在某些情況下,元件很難做到應有的“前向兼容性” 和“后向兼容性”(backward and forward compatible)。在客戶方面,因為新合金的鑒定需要較長時間,生產可能會被 延遲;對現有設備的改造與性能提升,也會延遲生產。為更有效地轉換至無鉛制造,半導體制造商、OEM客戶、EMS合同制造商、以及供應商,需要在各個層次上相互合作研究,共同關注上述這些技術問題。
  設計問題
  順利轉換至無鉛制造需要一定時間,工業界最好現在就開始設計無鉛產品。新產品的測試、鑒定、以及 諸多供應鏈問題,牽涉到業界的很多部門,設計完成之后這些問題需要占用很多的時間。
  無鉛的定義
  迄今為止,無鉛封裝的定義還未被正式確定。對于引線涂層和BGA焊球,歐盟規定的無鉛閾值為Pb<1000ppm;JEIDA也定為Pb<1000ppm。JEDEC最初建議使用pb<2000ppm,但最近JEDEC決定將不為無鉛設定一個ppm值。由于合同制造商和EMS分處全球各地,無鉛定義的不確定,使得SMT物料和工藝的選擇及其鑒定工作更為復雜。歐盟管理規則的正式推出,使全球使用一個無鉛定義標準成為可 能。
  質量和可靠性標準
  現有的IPC工藝標準適用于有鉛產品?,F在的SnPb合金己使用幾十年,IPC標準為產品定義了最低的驗收標準,客戶和供應商使用此標準來作接收和拒收的決定。采用無鉛合金時,為避免錯誤地解釋產品的接收標準,需要建立一個新的標準?;亓骱负蟾鞣N無鉛焊點的目視外觀問題,就是一個能說明此問題的一個很好的例子。比如,純錫焊點比SnBi焊點更光亮,這會是未接受培訓的檢驗員產生疑惑。另外,待建立的質量標準,還應該易于SMT生產線上操作員和檢驗員的培訓。缺乏可用以判斷工藝問題的標準,可能會導致代價高昂的延期交貨的發生。
  錫須(whisker)引起很大關注的原因是非常明顯的。雖然己有很多獨立研究的報告,業界目前仍沒有錫須試驗的標準程 序。最近IPC/JEDEC在臺灣省召開的無鉛國際會議上,就有幾個公司發表了使用不同測 試方法對錫須生長進行研究的報告。實驗結果表明進行標準化非常重要  無鉛的可焊性測試和焊料可靠性測試也待標準化。如有全球接收的測試方法,無鉛元件的鑒定時間將會縮短,重復測試可以減少,從而降低客戶和供應商的成本。圖一是Toshiba對SnPb和預涂覆鈀Pd PPF(pre-plating-frame)試件的濕潤性和焊點拉伸試驗結果,可以看出,SnPb和SnAgCu焊料對SnAg涂層和Pd PPF引線涂層的濕潤性,與這些焊料對SnPb涂層濕潤性是相近的。
  Toshiba也對焊在PCB上的器件做了焊點拉伸強度試驗。實驗結果顯示這些無鉛涂層的引線拉伸強度與傳統SnPb涂層引線拉伸強度在同一水平上。SnAg和Pd PPF焊點的強度試驗,顯示它們的強度可靠性是滿意的。
  后向兼容性和前向兼容性
  向無鉛制造的過渡不可能在一夜間就完成,SMT組裝線可能使用雙模式制造線,即在生產中同時采用有鉛和無鉛的材料進行組裝。這包括無鉛工藝中使用有 鉛元件——有鉛元件能否用于無鉛工藝稱為前向兼容性(forward compatible),或在有鉛工藝組裝中使用無鉛元件——這稱為后向兼容性(backward compatible)。同時具有此雙向兼容性最好,然而,這還要克服很多技術難 點。大多數含鉛產品的最高回流溫度都控制在240℃,而根據JEDEC J-STD-020B,無鉛焊回流的峰值為240℃-250℃。半導體供應商必須根據J-STD-020B重新界定其元器件的濕敏感度(MSL)。新的規范設定的峰值溫度為大型封裝(>350 mm3)240℃,和小型封裝250℃。圖4是Toshiba建議使用的用于有鉛和無鉛產品的溫度曲線。
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