PCB無鉛制程導(dǎo)入建議流程

距離2006年7月1日電子產(chǎn)品全面無鉛化的日子越來越接近了,電子業(yè)界為了符合此一潮流都正在如火如荼的進(jìn)行各項(xiàng)相關(guān)制程的變更,然而在變更的同時(shí)勢(shì)必會(huì)發(fā)生許許多多的問題,這些問題該如何克服?在導(dǎo)入無鉛制程的同時(shí),又該注意什么事情?如何制定無鉛制程導(dǎo)入的流程?以下的說明希望能夠提供給電子業(yè)界先進(jìn)一些幫助。
在無鉛制程當(dāng)中要了解的事項(xiàng)繁多,因此建議先從以下7大方向來加以討論：
1. 各國相關(guān)無鉛法令
2. PCB基板材質(zhì)的選擇
3. 無鉛零件材質(zhì)的選擇
4. 焊接設(shè)備應(yīng)注意事項(xiàng)
5. 焊接材料的選擇
6. 制程變更
7. 可靠度試驗(yàn)
1. 各國相關(guān)無鉛法令:
1.1 歐盟
目前歐盟已針對(duì)電子產(chǎn)品發(fā)出禁鉛令,并擬定所謂的RoHS指令,此條文中明確規(guī)定”鉛”,”汞”,”鎘”,”六價(jià)鉻”,”PBB”,”PBDE’s”這六項(xiàng)物質(zhì)不得存在或者超出所規(guī)定的含量,并規(guī)定所有的歐盟成員國必須2004.8.13
以前完成立法,并于2006.7.1正式執(zhí)法。以下為這六項(xiàng)物質(zhì)可能沖擊的產(chǎn)品。
目前使用的電子產(chǎn)品鉛電機(jī)電子設(shè)備,電池,鉛管,汽油添加劑,顏料,PVC安定劑,燈泡之玻璃,CRT,或電視之陰極射線管,焊接材料…等鎘被動(dòng)組件,焊接材料,紅外線偵測(cè)器,半導(dǎo)體,PVC…等汞溫度計(jì),感應(yīng)器,醫(yī)療器材,電訊設(shè)備,手機(jī)….等PBB&PBDE’s各式電子產(chǎn)品,PCB,組件,電線,塑料蓋….等
1.2 日本
日本電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(JEIDA)、日本工業(yè)規(guī)格協(xié)會(huì)(JIS)…等都已經(jīng)正在進(jìn)行草擬各種相關(guān)的無鉛規(guī)格要求,在此之前,日本各相關(guān)知名廠商如SONY,NEC,HITACHI,PANASONIC,TOSHIBA….等等都已經(jīng)明定出禁鉛的相關(guān)條文(例如SONY之SS00259)
1.3 美國
美國的電子業(yè)界原先針對(duì)導(dǎo)入無鉛化制程的態(tài)度原本就不是那么積極但是在世界環(huán)保潮流的推波助瀾下,包括NEMI協(xié)會(huì)及一些世界知名的電子大廠(例如HP,DELL,IBM….等)都已經(jīng)擬定禁鉛的時(shí)程。
1.4 中國
目前全世界最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地”中國”,針對(duì)無鉛化的到來,已制定”電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法”并預(yù)計(jì)于2005年1月1日起開始施行。
2. PCB基板材質(zhì)的選擇
目前可用在無鉛制程上的PCB基板不外乎有六種材質(zhì)可以選擇:
a. 鍍金板 (Electrolytic Ni/Au)
b. OSP板 (Organic Solderability Preservatives)
c. 化銀板 (Immersion Ag)
d. 化金板 (Electroless Ni/Au, ENIG)
e. 化錫板 (Immersion Tin)
f. 錫銀銅噴錫板(SAC HASL)
以上六種板材,由于化錫板與錫銀銅噴錫板的制程尚未成熟,在市場(chǎng)上接受度還有疑慮情形之下,在此先不進(jìn)行討論
a. 鍍金板
這是目前現(xiàn)有的所有板材中最穩(wěn)定,也最適合使用于無鉛制程的板材,尤其在一些高單價(jià)或者需要高可靠度的電子產(chǎn)品都建議使用此板材作為基材,只是其成本也是所有板材中最高的。
b. OSP板
使用此一類板材,在經(jīng)過高溫的加熱之后,預(yù)覆于pad上的保護(hù)膜勢(shì)必受到破壞,而導(dǎo)致焊錫性降低,尤其當(dāng)基板經(jīng)過二次回焊后的情況更加嚴(yán)重,因此若制程上還需要再經(jīng)過一次dip制程,此時(shí)dip端將會(huì)面臨焊接上的挑戰(zhàn)。
c. 化銀板
雖然”銀”本身具有很強(qiáng)的遷移性,因而導(dǎo)致漏電的情形發(fā)生,但是現(xiàn)今的“浸鍍銀”并非以往單純的金屬銀,而是跟有機(jī)物共鍍的”有機(jī)銀”因此已經(jīng)能夠符合未來無鉛制程上的需求,其可焊性的的壽命也比OSP板更久。
d. 化金板
此類基板最大的問題點(diǎn)便是”黑墊”(Black Pad)的問題,因此在無鉛制程上有許多的大廠是不同意使用的,例如HP便規(guī)定所有的HP產(chǎn)品都不可使用此類基板,Dell亦是!
3. 無鉛零件材質(zhì)的選擇：
關(guān)于無零件的最重要的便是零件的耐溫性與零件鍍層的材質(zhì),一般來說SMT零件的耐溫性要求必須要達(dá)到260℃以上,另外零件腳的鍍層合金組成, Ni/Pd/Au , Ni/Pd,Matte Sn(非亮面)(Sn / 1-3%Bi or Sn / 1-5%Ag)都是可以適用的,至于BGA或者CSP等零件的焊錫球建議使用Sn/Ag(3-4%)/Cu(0.5-1)此合金組成
4. 焊接設(shè)備應(yīng)注意事項(xiàng)
a. SMT設(shè)備
一般來說,SMT無鉛制程所使用的Reflow建議需使用8個(gè)加熱區(qū),若低于8個(gè)加熱區(qū),并非不能用于無鉛制程,只是若爐子長(zhǎng)度不夠,為符合使用無鉛制程所需的profile,勢(shì)必要將速度降低,如此將會(huì)影響到產(chǎn)能。另外由于無鉛焊材的沾錫性會(huì)比63/37要差,因此若要改善吃錫性的話,除了添加多量活性劑于錫膏當(dāng)中之外,也只得靠氮?dú)鈦碓黾映藻a效果。最后最重要的便是冷卻區(qū),由于無鉛的熔點(diǎn)比較高,為了使金屬固化的時(shí)候能夠更加緊密接合,加熱后的急速冷卻就變的相當(dāng)重要了,一般降溫速度將由以往的1℃/sec至少提升到2℃/sec以上會(huì)來的比較恰當(dāng)!因此坊間都已經(jīng)有水冷式的reflow問世了。
b. Dip設(shè)備
以往用于63/37制程的波焊爐是無法使用于無鉛制程,主要原因?yàn)闊o鉛錫棒的熔點(diǎn)都較以往提升30~40℃,因此錫槽的加熱功率一定要提高,如此熱補(bǔ)償?shù)乃俣炔抛銐?目前各電子廠的測(cè)試作業(yè)溫度大多設(shè)定在(使用錫銀銅成分時(shí)260-270℃、使用錫銅成分時(shí)270-280℃)。另外由于長(zhǎng)時(shí)間的使用無鉛焊材,當(dāng)中的高比例的錫成分,在長(zhǎng)期高溫下很容易對(duì)錫槽璧產(chǎn)生侵蝕,因此以往使用不銹鋼作為錫槽原材將不足以克服此現(xiàn)象發(fā)生,所以各設(shè)備商紛紛以”鈦”合金試圖延長(zhǎng)錫槽的壽命!
c. Rework 設(shè)備
現(xiàn)今所使用的烙鐵焊臺(tái)所使用的瓦數(shù)大多為30~40瓦,但是無鉛制程所使用的錫絲熔點(diǎn)已經(jīng)比以往提高30℃以上,若繼續(xù)使用此焊臺(tái)的話,溫度一定要調(diào)整到420~450℃以上才可以將無鉛錫絲溶化,但是相對(duì)烙鐵頭的壽命也將
降低,因此建議必須要全面更換無鉛專用焊臺(tái),瓦數(shù)至少達(dá)到80瓦以上,溫度同樣設(shè)定在350~380℃,在熱補(bǔ)償速度足夠下即可順利進(jìn)行錫絲焊接制程
5. 焊接材料的選擇
目前市場(chǎng)上無鉛焊材的主流仍然是以: 錫銀、錫銅、錫銀銅為主
a. 錫銀(Sn96.5/Ag3.5 熔點(diǎn) 221℃)
這種合金在沒有討論無鉛制程之前就已經(jīng)被使用在一些電子產(chǎn)品上了,在無鉛制程被提出后,本來認(rèn)為可以用來取代原先的Sn/Pb制程,但由于此合金的表面張力較大,導(dǎo)致其擴(kuò)散性降低,進(jìn)而影響到吃錫的效果!雖然有些廠商仍然會(huì)使用到此合金,但并沒有受到電子業(yè)界的廣泛的使用!
b. 錫銅(Sn99.3/Cu0.7 熔點(diǎn) 227℃)
此合金是目前用于波焊制程當(dāng)中價(jià)格最便宜的合金,也是美國NEMI協(xié)會(huì)所推薦使用的合金,缺點(diǎn)是所需的作業(yè)溫度比較高(270~280℃)。另外為了加強(qiáng)此合金焊接后的強(qiáng)度,會(huì)在此合金當(dāng)中添加微量的Ni(大約0.1%)。
c. 錫銀銅(Sn/Ag3~4%/Cu0.5~1熔點(diǎn)219℃)
此合金是目前市場(chǎng)上最被接受的合金組成,用于市場(chǎng)上不同的配方比例有好幾種,以下說明世界各國組織所建議的詳細(xì)合金范圍：
(1) 美國NEMI協(xié)會(huì)----(Sn95.5/Ag3.9/Cu0.6)
(2) 日本JEIDA協(xié)會(huì)----(Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5)
(3) 歐盟---(Sn96.5/Ag3.8/Cu0.7)
不論上述協(xié)會(huì)所推薦合金組成為合,只要是在(Sn/Ag3~4%/Cu0.5~1)這個(gè)范圍都是被電子業(yè)界所接受的
d. 其它合金
至于目前市場(chǎng)上,尤其是日本方面,使用在無鉛的產(chǎn)品上面,還包括有”錫-鋅”系列的產(chǎn)品或者是”錫-銀-銦”,”錫-銀-鉍”….等等,這些合金通常都是使用在某些特定產(chǎn)品上。
e. 錫銀銅鎳鍺五元合金
目前錫銀銅系列的合金還有一款值得推薦,”錫/3.0銀/0.5銅/0.06鎳/0.01鍺”此種合金組成特別針對(duì)錫銀銅的一些缺點(diǎn)進(jìn)行改善,例如焊點(diǎn)裂痕,凹洞..等在錫銀銅合金當(dāng)中添加”鎳”可以促進(jìn)合金組織細(xì)微化,增加焊點(diǎn)強(qiáng)度,添加“鍺”,由于此金屬的比重較輕(約5.36)因此會(huì)在焊錫表面層形成一層類似保護(hù)膜的作用,進(jìn)而阻止合金氧化,增加潤(rùn)濕的能力。
6. 制程變更
a. SMT制程
鋼板的設(shè)計(jì): 由于無鉛焊材的擴(kuò)散性較差,因此以往用于Sn63/Pb37制程將鋼板內(nèi)縮的開法將不再可行,建議將鋼板開孔與Pad以1:1的比例設(shè)計(jì),甚至長(zhǎng)寬都再加長(zhǎng)!Profile的設(shè)計(jì): 參考錫膏供貨商所提供的profile即可!尤其在冷卻區(qū)的部分一定要提高冷卻速率,否則將會(huì)有錫凹或者錫裂的現(xiàn)象發(fā)生
b. DIP制程
治具的設(shè)計(jì): 由于無鉛焊材的流動(dòng)性較差,若要改變流動(dòng)性就必須將溫度提高,但是又要確保零件可以承受,因此治具設(shè)計(jì)的重要性就顯的重要多了。
Profile的設(shè)計(jì): 參考錫膏供貨商所提供的profile即可!但是在波焊爐的出口建議加裝急速冷卻的系統(tǒng),避免焊點(diǎn)出現(xiàn)錫裂的現(xiàn)象!
c. 檢測(cè)制程:
AOI 檢測(cè): 由于無鉛焊材的焊點(diǎn)表面為霧狀,因此原先使用于含鉛焊點(diǎn)所設(shè)定的參數(shù)必須做調(diào)整
ICT 檢測(cè): 若使用OSP板材,則PCB基板上的測(cè)試點(diǎn)必須要涂布錫膏,如此才可避免探針無法接觸測(cè)試點(diǎn)而造成誤判的情況發(fā)生
7. 可靠度試驗(yàn)
當(dāng)完成后的無鉛組裝板,必須執(zhí)行以下幾項(xiàng)的測(cè)試,以確保產(chǎn)品的可靠度:
a. 振動(dòng)試驗(yàn)(Vibration Test)
b. 熱沖擊(或者是熱循環(huán))測(cè)試(Thermal Shock Test)
c. 金相切片試驗(yàn)(Cross Section Test)
d. IC零件腳的拉力試驗(yàn)(Pull Test)
e. 電阻電容的推力試驗(yàn)(Shear Test)
f. 摔落試驗(yàn)(手機(jī)產(chǎn)品)
以上試驗(yàn),d與e項(xiàng),在成品完成后與經(jīng)過b項(xiàng)試驗(yàn)后都建議執(zhí)行!另外金相切片的部分,需執(zhí)行BGA零件,IC零件,Chip零件,PTH零件,除以上零件之外若產(chǎn)品上有重要零件也須一并進(jìn)行,主要目的為觀察零件與PCB基板間的
焊接狀態(tài)與IMC層的狀態(tài)!
8. 建議流程:
綜合以上說明,簡(jiǎn)單來說,若要完成無鉛產(chǎn)品的導(dǎo)入,先期的試驗(yàn)流程簡(jiǎn)述如下: 取得4種pcb的基板當(dāng)作測(cè)試板,取得無鉛零件,取得無鉛焊接材料,利用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行焊接,完成后先觀察外觀的焊接狀態(tài),進(jìn)行第7項(xiàng)c.d.e的檢查
從四種的測(cè)試結(jié)果選取兩種較好的焊接狀態(tài),進(jìn)行正式板的測(cè)試,當(dāng)正式板完成后再按照第7項(xiàng)進(jìn)行所有的測(cè)試!
9. 結(jié)論
要從錫鉛制程導(dǎo)入無鉛制程的過程,若不深入了解的話,勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一些問題因此必須要先了解各國相關(guān)法令的內(nèi)容后,再依據(jù)內(nèi)容去要求各相關(guān)廠商提供符合法令的無鉛產(chǎn)品,組裝廠本身也必須針對(duì)無鉛制程,對(duì)廠內(nèi)各種設(shè)備進(jìn)行汰舊換新。