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摘 要:本文主要分析了无铅元器件的镀层情况,并给出了有铅工艺遇到无铅元器件的相应解决方案。
关键词:RollS——有害物质的限制法案 Leadfree——无铅焊接
随着近年来电子行业的飞速发展,废弃电子产品所带来的环境影响越来越被人们所重视。几乎所有电子电气产品都是将半导体器件焊在印制板上,这些产品达到使用寿命报废后,通常被进行填埋处理。锡铅焊料由于其使用方便、价格经济、电气和机械性能良好的特性,多年来一直被广泛用于电气连接。然而,铅(Pb),是一种有毒的金属,对人体有害,并且对自然环境有很大的破坏性,近年来由于环境污染,酸雨开始与填埋的铅废料发生化学反应,酸雨将铅转化成很易溶于水的离子化合物,污染水源。出于环境保护的要求,特别是IS014000的导入,世界大多数国家开始禁止在焊接材料中使用含铅的成分,即无铅焊接(Leadfree),绿色制造必将造福千秋万代。
随着欧盟RollS&WEEE指令的实施,目前许多器件或材料已经转向供应无铅的,含铅的已经停止供货。这种情况会随着无铅的逐步普及化而更重要,最终将会使那些不想转化的企业在各种压力下也必须进入无铅。然而,由于无铅技术尚不完备,虽然,使用无铅焊料有利于环境保护,也是必由之路,但是其带来的一系列问题对质量和可靠性的影响是不可忽视的。
有些电子制造企业,由于对产品高可靠性的要求还没能启动无铅工艺,但由于有的元器件厂已经不再生产有铅的器件,因此采购不到有铅器件,所以不可避免地遇到了无铅元器件,短期内有铅工艺需要兼容无铅元器件。
当有铅工艺遇到无铅器件时,首先,要搞清楚所采购的无铅器件的镀层情况。目前无铅标准还没有完善,因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多,主要有以下五种锡一银(Sn-Ag)镀层、锡一铋-(Sn Bi)镀层、锡一铜(Sn-Cu)镀层、预镀镍一钯一金《Ni-Pd-Au》引脚框架和纯雾锡(Pure matte tin)镀层。美国镀纯Sn和sn/Ag/Cu的比较多。日本的元件焊接端镀层种类比较多,各家公司有所不同,除了镀纯Sn和Sn/Ag/Cu外,还有镀Sn/cu、Sn,Bl等合金层。
Sn-Ag镀层的锡含量约为3 5%,具有良好的可焊性和机械属性。但是Sn-Ag镀层容易产生锡毛刺,这是所有高锡含量替代方案的主要可靠性风险。由于材料成本较高,并且镀浴(pIatmg bath,电镀溶液)控制程序复杂,Sn-Ag镀层比较昂贵。从“总拥有成本”的角度考虑,Sn-Ag镀层并不能作为一种完全可行的选择。
自2000年以来,Sn-Bi作为引脚镀层已在日本得到广泛应用,因此人们开始对其密切关注。当铋含量为3%时,Sn-Bi的熔点约为220℃,选择该镀层肯定可行。但是Sn-Bi材料易碎,镀层控制复杂,而且它会产生锡毛刺。关于铋的真实毒性也有疑问,且含铅焊料后向兼容性问题仍存在争议。内部筛选实验和研究确认了这些Sn-Bi问题的存在,所以这种镀层只能作为临时解决方案。
S13-Cu镀层可形成一种钢含量为07%的高强度低熔点合金,其熔点为227℃。此镀层的价格相对低廉,且具有良好的可焊性。但是Sn—Cu容易产生锡毛刺,甚至合金成份的微小改变就会大大改变共晶温度。由于精确控制镀层成份困难,且Sn-Cu引脚加工与合金(Allov)42引脚框架不兼容,所以该系统不能作为一种可行的解决方案。
预镀的Ni-Pd和Ni-Pd-Au引脚框架作为无铅焊接的一种可选方案,干1989年首先由德州仪器(TI)引进。其主要优势在于该技术适于商业应用,且封装工艺得以简化。但是对大批量产品应用而言,Ni-Da—Au解决方案不具备优势,主要原因在于其成本较高,而且根据现有资料记录,该方案存在可靠性问题。此外,镀层在弯曲时会发生断裂,而且在焊接、引线接合和成模时也存在问题。钯和金成本高且难以预计,引脚框架的供货商数量也有限,这些都是该方案的劣势所在。由于此镀层系统与Alloy 42引脚框架不兼容,其应用范围进一步受限。因此,对于大批量生产线而言,这种解决方案不是一种可行的备选方案。
纯雾锡是大批量半导体制造商镀层应用的首选。其原因众多:对于各种引脚框架而言,雾锡工艺不仅具有良好焊接特性,而且它是一种低成本解决方案,不存在Sn-Ag、Sn—Bi和Sn—Cu系统中的双合金成份控制问题。雾锡解决方案得以广泛应用的另一个关键因素是其供应充足,此因素与上述技术密切相关。雾锡最重要的一个优势可能在于它可与含铅焊料后向兼容。鉴于世界上很许多无铅政策在执行上存在延迟,这种后向兼容仍较为重要。但由于Sn表面容易氧化形成很薄的氧化层,加电后产生压力,在不均匀处会把Sn推出来,形成Sn须。Sn须在窄间距的QFP等元件处容易造成短路,影Ⅱ自可靠性。对于低端产品以及寿命要求小于5年的元器件可以镀纯Sn,对于高可靠产品以及寿命要求大干5年的元器件采用先镀一层厚度约为1μm以上的Ni,然后再度2μm～3μm厚的Sn。
一般,镀纯雾锡的无铅元器件同传统的锡铅焊接工艺是完全兼容的,以下是安森美公司的声明:逆向兼容性是指客户可将我们的无铅产品安装在其电路板上,并使用含铅的焊料进行回流焊处理。安森美半导体已经对无铅器件进行了回流焊测试,测试中使用含铅焊料回流焊温度与工艺模拟这种条件。测试在210至230。C条件下进行,结果表明无可焊性问题。请注意:这不适用于BGA、凸块裸片或倒装芯片器件;如果这些器件无铅,则需要使用无铅回流焊工艺。
其实,一些元件早已遵循RoHS指令,多年来使用无铅终端,以下是来自Kemet Electronics公司(Greenvllle,美国南卡罗来纳州)的意见:10多年前我们已经采用无铅陶瓷表面贴装镀层工艺,数十亿件的元件成功用于传统锡铅和高温无铅焊接工艺中。
总之,同时使用无铅元件和传统的锡铅焊接工艺时,了解无铅元件的镀层情况,查看元件厂商相关技术声明,通过抬高焊接温度等措施,一般不存在问题,有一些公司一直是如此操作。然而也有例外,球栅阵列(BGA)元件在每一个触点有一个小焊球,它们没有常规的电镀引脚。如果只存在无铅触点BGA元件会怎样7如果用锡铅焊锡膏和回流焊接,焊点可靠吗?简单的回答是否定的。这是一个必需提供停产前购买期限的领域,幸好大多数生产商只需要少量的BGA元件。此外,BGA元件生产商知道一些公司在短期内不会转向使用无铅元件,但是,即使您知道生产商会在今后几年内同时提供含铅和无铅的BGA包装,同供货商进行核实仍然非常重要。如果这些器件无铅,则需要使用无铅回流焊工艺。
有朝一日您必须从有铅转变成无铅,完全停止含铅焊料的使用,这可能是法律要求的,也可能是由于缺乏锡铅BGA元件引起的,也有可能是其他商业决定的结果,总之,含铅产品不可能在本行业无限期存在,无铅化焊接取代目前的含铅工艺,已是大势所趋。另一方面,正如本文开始时所提及的,电子产品对环境的污染主要是由废弃造成的。因此,着重“绿色产品”即可回收产品的设计与开发,才能从根本上消除电子行业对环境的污染。从这个意义上看,无铅化只是减少电子产品对环境污染的临时措施。
参考文献:
[1]2003年1月27日欧洲议会和理事会关于报废电气和电子设备(WEEE)的指令2002/96/EC,[在线]欧盟官方杂志L37 1(2003):24 38;网址:http://europa eu,intJeur-lex/lex/LexUriServ/LexUriServ do?uri=CELEX:32002L0096:EN:html.
[2]David Suraski,向无铅转变的关键工艺[J]中国电子商情SMT Chi—na,2004,11/12:50.
[3]刘俊,无铅焊接技术在手工焊接中的应用[J]电子工业专用设备,2004,12:80-100
关键词:RollS——有害物质的限制法案 Leadfree——无铅焊接
随着近年来电子行业的飞速发展,废弃电子产品所带来的环境影响越来越被人们所重视。几乎所有电子电气产品都是将半导体器件焊在印制板上,这些产品达到使用寿命报废后,通常被进行填埋处理。锡铅焊料由于其使用方便、价格经济、电气和机械性能良好的特性,多年来一直被广泛用于电气连接。然而,铅(Pb),是一种有毒的金属,对人体有害,并且对自然环境有很大的破坏性,近年来由于环境污染,酸雨开始与填埋的铅废料发生化学反应,酸雨将铅转化成很易溶于水的离子化合物,污染水源。出于环境保护的要求,特别是IS014000的导入,世界大多数国家开始禁止在焊接材料中使用含铅的成分,即无铅焊接(Leadfree),绿色制造必将造福千秋万代。
随着欧盟RollS&WEEE指令的实施,目前许多器件或材料已经转向供应无铅的,含铅的已经停止供货。这种情况会随着无铅的逐步普及化而更重要,最终将会使那些不想转化的企业在各种压力下也必须进入无铅。然而,由于无铅技术尚不完备,虽然,使用无铅焊料有利于环境保护,也是必由之路,但是其带来的一系列问题对质量和可靠性的影响是不可忽视的。
有些电子制造企业,由于对产品高可靠性的要求还没能启动无铅工艺,但由于有的元器件厂已经不再生产有铅的器件,因此采购不到有铅器件,所以不可避免地遇到了无铅元器件,短期内有铅工艺需要兼容无铅元器件。
当有铅工艺遇到无铅器件时,首先,要搞清楚所采购的无铅器件的镀层情况。目前无铅标准还没有完善,因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多,主要有以下五种锡一银(Sn-Ag)镀层、锡一铋-(Sn Bi)镀层、锡一铜(Sn-Cu)镀层、预镀镍一钯一金《Ni-Pd-Au》引脚框架和纯雾锡(Pure matte tin)镀层。美国镀纯Sn和sn/Ag/Cu的比较多。日本的元件焊接端镀层种类比较多,各家公司有所不同,除了镀纯Sn和Sn/Ag/Cu外,还有镀Sn/cu、Sn,Bl等合金层。
Sn-Ag镀层的锡含量约为3 5%,具有良好的可焊性和机械属性。但是Sn-Ag镀层容易产生锡毛刺,这是所有高锡含量替代方案的主要可靠性风险。由于材料成本较高,并且镀浴(pIatmg bath,电镀溶液)控制程序复杂,Sn-Ag镀层比较昂贵。从“总拥有成本”的角度考虑,Sn-Ag镀层并不能作为一种完全可行的选择。
自2000年以来,Sn-Bi作为引脚镀层已在日本得到广泛应用,因此人们开始对其密切关注。当铋含量为3%时,Sn-Bi的熔点约为220℃,选择该镀层肯定可行。但是Sn-Bi材料易碎,镀层控制复杂,而且它会产生锡毛刺。关于铋的真实毒性也有疑问,且含铅焊料后向兼容性问题仍存在争议。内部筛选实验和研究确认了这些Sn-Bi问题的存在,所以这种镀层只能作为临时解决方案。
S13-Cu镀层可形成一种钢含量为07%的高强度低熔点合金,其熔点为227℃。此镀层的价格相对低廉,且具有良好的可焊性。但是Sn—Cu容易产生锡毛刺,甚至合金成份的微小改变就会大大改变共晶温度。由于精确控制镀层成份困难,且Sn-Cu引脚加工与合金(Allov)42引脚框架不兼容,所以该系统不能作为一种可行的解决方案。
预镀的Ni-Pd和Ni-Pd-Au引脚框架作为无铅焊接的一种可选方案,干1989年首先由德州仪器(TI)引进。其主要优势在于该技术适于商业应用,且封装工艺得以简化。但是对大批量产品应用而言,Ni-Da—Au解决方案不具备优势,主要原因在于其成本较高,而且根据现有资料记录,该方案存在可靠性问题。此外,镀层在弯曲时会发生断裂,而且在焊接、引线接合和成模时也存在问题。钯和金成本高且难以预计,引脚框架的供货商数量也有限,这些都是该方案的劣势所在。由于此镀层系统与Alloy 42引脚框架不兼容,其应用范围进一步受限。因此,对于大批量生产线而言,这种解决方案不是一种可行的备选方案。
纯雾锡是大批量半导体制造商镀层应用的首选。其原因众多:对于各种引脚框架而言,雾锡工艺不仅具有良好焊接特性,而且它是一种低成本解决方案,不存在Sn-Ag、Sn—Bi和Sn—Cu系统中的双合金成份控制问题。雾锡解决方案得以广泛应用的另一个关键因素是其供应充足,此因素与上述技术密切相关。雾锡最重要的一个优势可能在于它可与含铅焊料后向兼容。鉴于世界上很许多无铅政策在执行上存在延迟,这种后向兼容仍较为重要。但由于Sn表面容易氧化形成很薄的氧化层,加电后产生压力,在不均匀处会把Sn推出来,形成Sn须。Sn须在窄间距的QFP等元件处容易造成短路,影Ⅱ自可靠性。对于低端产品以及寿命要求小于5年的元器件可以镀纯Sn,对于高可靠产品以及寿命要求大干5年的元器件采用先镀一层厚度约为1μm以上的Ni,然后再度2μm～3μm厚的Sn。
一般,镀纯雾锡的无铅元器件同传统的锡铅焊接工艺是完全兼容的,以下是安森美公司的声明:逆向兼容性是指客户可将我们的无铅产品安装在其电路板上,并使用含铅的焊料进行回流焊处理。安森美半导体已经对无铅器件进行了回流焊测试,测试中使用含铅焊料回流焊温度与工艺模拟这种条件。测试在210至230。C条件下进行,结果表明无可焊性问题。请注意:这不适用于BGA、凸块裸片或倒装芯片器件;如果这些器件无铅,则需要使用无铅回流焊工艺。
其实,一些元件早已遵循RoHS指令,多年来使用无铅终端,以下是来自Kemet Electronics公司(Greenvllle,美国南卡罗来纳州)的意见:10多年前我们已经采用无铅陶瓷表面贴装镀层工艺,数十亿件的元件成功用于传统锡铅和高温无铅焊接工艺中。
总之,同时使用无铅元件和传统的锡铅焊接工艺时,了解无铅元件的镀层情况,查看元件厂商相关技术声明,通过抬高焊接温度等措施,一般不存在问题,有一些公司一直是如此操作。然而也有例外,球栅阵列(BGA)元件在每一个触点有一个小焊球,它们没有常规的电镀引脚。如果只存在无铅触点BGA元件会怎样7如果用锡铅焊锡膏和回流焊接,焊点可靠吗?简单的回答是否定的。这是一个必需提供停产前购买期限的领域,幸好大多数生产商只需要少量的BGA元件。此外,BGA元件生产商知道一些公司在短期内不会转向使用无铅元件,但是,即使您知道生产商会在今后几年内同时提供含铅和无铅的BGA包装,同供货商进行核实仍然非常重要。如果这些器件无铅,则需要使用无铅回流焊工艺。
有朝一日您必须从有铅转变成无铅,完全停止含铅焊料的使用,这可能是法律要求的,也可能是由于缺乏锡铅BGA元件引起的,也有可能是其他商业决定的结果,总之,含铅产品不可能在本行业无限期存在,无铅化焊接取代目前的含铅工艺,已是大势所趋。另一方面,正如本文开始时所提及的,电子产品对环境的污染主要是由废弃造成的。因此,着重“绿色产品”即可回收产品的设计与开发,才能从根本上消除电子行业对环境的污染。从这个意义上看,无铅化只是减少电子产品对环境污染的临时措施。
参考文献:
[1]2003年1月27日欧洲议会和理事会关于报废电气和电子设备(WEEE)的指令2002/96/EC,[在线]欧盟官方杂志L37 1(2003):24 38;网址:http://europa eu,intJeur-lex/lex/LexUriServ/LexUriServ do?uri=CELEX:32002L0096:EN:html.
[2]David Suraski,向无铅转变的关键工艺[J]中国电子商情SMT Chi—na,2004,11/12:50.
[3]刘俊,无铅焊接技术在手工焊接中的应用[J]电子工业专用设备,2004,12:80-100