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无铅电子组装进入实际应用阶段
2004-03-13    作者:干辉    EM China 技术编辑    点击: 10406
无铅电子组装进入实际应用阶段
  目前电子组装中广泛使用的低熔点的锡铅合金具有电导性好、工艺技术简单、便宜而且可靠性高等特点,大量无铅焊料的研究结果表明,目前没有找到现成的锡铅焊料的无铅替代品。为顺利过渡到无铅电子组装,全球电子行业在过去的十多年里作了大量的技术准备。
  Cookson Electronics(确信电子)的技术副总裁Alan Rae博士这样评说无铅组装技术的进展和现状:“两年前还有许多无铅焊接的技术问题尚待解决,而现在不同,客户面对的主要是物料供应和生产运作的问题,比如说如何保持无铅组装线独立于其它原有的生产线,如何进行有关无铅方面的验收鉴定,如何保证无铅元器件的供应,如何进行元器件和产品的标识,以及考虑无铅的法令规定将如何影响公司的产品和商业运作。”
  无铅电子组装技术是否已经成熟
  成熟的无铅电子组装技术包括在印刷电路板级组装和电子元器件封装两个过程中,使用的材料达到无铅的标准,使用无铅材料的设备和工艺的实用性,以及最终产品达到必须的可靠性要求。用无铅制程替代沿用多年的锡铅共晶焊接,不仅影响电子组装中的材料、设备、工艺、以及产品的可靠性和产品的质量检测标准,还影响制造商的生产运作和供应。Indium公司的市场传媒总监 Rich Short认为,无铅制程转换不仅指硬件是否成熟,“人是否准备好了?”也是同等重要的技术问题。
  材料
  对大多数制造商来讲,无铅化的最大变化无疑是焊膏。深圳亿铖达公司副总经理、研发中心主任马鑫博士解释说,无铅材料包括在印刷电路板的组装过程中采用无铅焊料产品(例如无铅的焊锡丝、焊锡条和焊锡膏),还指组成整个电子元器件的各部分均为无铅的材料。另外,电路板和元器件引脚的表面材料也是无铅制程实施中的一个重要环节。

  为现有的有铅焊料选择适当的无铅焊料合金替代品是无铅组装技术的基础。马鑫认为:“从纯技术的角度来看,取代传统的Sn63-Pb37或Sn60-Pb40有铅焊料产品的无铅焊料产品已经成熟。其根本是以Sn作为基体的Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu或Sn-Zn系列的组成成分。” 比较普遍的看法是,手工电烙铁焊应该采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu,浸焊和波峰焊采用Sn-Cu,回流焊采用Sn-Ag和Sn-Ag-Cu,特别需要低温时可考虑Sn-Zn-Bi。
  由于可行的Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu合金系列的熔点都比较高(220℃左右),人们仍然期望获得更接近于Sn-Pb共晶点(183℃)温度的无铅焊料合金成分。马鑫从金属学的角度解释说,现在的低温焊膏研究主要是基于可行的如Sn-Zn合金体系(Sn-Zn共晶点为198℃),但由于Zn的氧化性和腐蚀性均很强,考虑如何抑制Zn的氧化性和腐蚀性,还有进一步的工作要做。
  Cookson公司的Rae博士认为市场上的主流合金是锡/银/铜合金成份。在锡/银/铜合金成份中,含量约为0.5%的铜的作用是改善强度,3%~6%的银用于改善导电性,其它元素的加入可以调节合金熔融温度,比如锌、铋可以起到降低熔化温度的作用,但具有减少强度的副作用。锡/银/铜合金的优点在于合金成份简单,原材料非稀有,成本较低,对环境相对友好。熔点温度(217℃)虽然高于锡铅合金,但总体性能很好。图1显示了部分合金的组份和相应熔点。
  与无铅相关的封装和线路板材料的技术问题,Rae博士认为封装和线路板厂商完成了大量研发工作,重点在一些专业级设备的市场,如服务器、通信机站等高端设备。与这些产品相关的无铅技术问题大多得到解决,比如特殊的层压电路板、材料热阻、以及如何防止分层、变色等问题。
  Indium的Short认为:“硬件方面(包括设备和材料),应该说元器件目前是唯一还需受到特别关注的问题。元器件是无铅应用中最为困难的一个环节,原因来自来两个方面。”他解释说,一是由于元器件需要能够承受无铅制程所需的更高的工艺温度。无铅工艺的峰值250℃到260℃高出目前所有普通元器件所能承受的240℃,高温将对元器件产生热损伤。
  Indium公司的科技副总裁李宁成博士在最近的一篇论文中举例:“电解电容非常容易受高温损伤,绕线型元件(wound components),如Relay也一样易受高温损伤,塑封的IC在接近有效期时很容易产生‘爆米花’。另外,存储芯片在250℃时可能发生数据的损坏(parametric damage)。”Short总结说:“用于无铅的所用元器件都必须通过耐高温的鉴定。”
  另一个与元器件有关的问题是需要实现元器件内部和外部(表面)的无铅化。虽然目前多数元器件的管脚都含铅,但已有许多无铅管较的元器件供选择。值得注意的是这些解决方案可能对渗润性和可焊性有一定的影响。Rich解释道,因此在每个应用中,对焊接性能和焊接点的抗老化性能的研究很重要。
  设备和工艺
  “就设备和生产而言,无铅组装与有铅组装没有本质上的区别。” 马鑫博士认为,重要的是,与有铅焊料相比,无铅焊料的熔点高、润湿性差这两个基本特征,使得相应的操作参数空间缩小,因此需要对设备和生产工艺进行改进。
  Rae博士认为现有的成熟的设备技术,意味着提供更好的炉内温度控制,更能节省能量,波峰焊炉中还需更好的防腐蚀性能。回流焊炉需要具备能达到无铅焊所需要的较高温度的能力,还需有合适和充分的温区,特别对复杂线路板的组装,由于可用的工艺窗口更窄,控制无铅焊所需的升温曲线和冷却速率非常重要。
  能量消耗是目前业界关注的对象,Rae博士介绍,Cookson材料最近在这个方面做了很多工作,使得最新型的焊炉的能源消耗减小了50%,同时氮气的消耗量也可以减少30%。据介绍,回流炉三年的生产时间里,设备成本仅占10%的生产成本,其它成本将来自能源和氮气的消耗。“可以预计,由于需要节约使用费用,新型回流炉的需求还会增加。”Rae博士说。
  多数新型的回流炉都配置有氮气使用能力。Cookson的Hozer博士认为,回流炉具有的氮气能力,可以应对可能有的应用需要,但近来的研究成果显示,只要具有合理的制程设定和材料选择,氮气的使用并不是所有无铅组装所必要的条件,特别是对于成本和利润空间相对较低、线路板相对小和简单的消费类电子产品。这对中国电子制造市场无疑是个好消息。Hozer博士特别指出,新型的回流炉一般具有有效处理挥发的焊剂的能力,可以进行焊剂的聚集和收集,防止在较高温度下挥发的焊剂滴到线路板上从而污染电路板。
  Short指出,虽然大多数设备已经具有应付无铅的能力,但设备处理无铅的能力是有差异的。更严格的回流焊工艺过程是保证元器件和线路板不受高温损伤的关键,波峰焊的焊剂释放、预热、炉温和接触时间等同样需要更高的控制,另外在波峰焊中,还需控制焊渣的增加、炉内污染和腐蚀的产生。
  失效模式和可靠性
  据业界工程师反映,近几年有关无铅的讲座的一个明显变化是涉及越来越多的可靠性方面的内容。李宁成博士以锡须现象为例说明了这类研究的重要性——对一颗因出故障而回收的卫星研究发现,折寿的原因竟是锡须生长引起的短路,虽然锡须在研究领域早已不是一个新现象。
  李宁成博士说,与无铅化相关的可靠性和产品失效问题,近几年的进展不在于发现新的现象,而是就已知的现象更加了解了其发生的原因,并且知道如何去解决。美国NEMI和业界近几年对锡须组织了大量系统的研究,目前有许多相应措施,比如预烘、conformal coating、Matte tin、回流中的应力释放,另外还特别需要重视对材料供应的跟踪。Rae博士称锡须已经不是无铅应用的隐患。
  另一个现象fillet-lifting是比较新的,最早由日本人提出来,而近年来时有报道。马鑫博士解释说,日本在开始无铅电子组装的应用时,最先采用的是含Bi的无铅焊料,后来发现Sn-Pb-Bi(元器件表面镀层为Sn-Pb合金的场合下)之间可以形成熔点只有96℃的低熔点相,导致焊点的凝固过程出现非同步,再加上一些收缩张力的作用,导致焊点与焊盘脱离。由于Sn-Bi之间也可以形成熔点只有138℃的低熔点相,因此现在已经明确,应该尽量避免使用含Bi的无铅焊料。这一现象只在波峰焊时被发现,回流焊方面几乎没有报道。
  “对于制造商来说,可靠性属于比较高层次的考虑因素,”李宁成博士指出:“但制程方面还是最基本的,没有制程就没有可靠性。”改进材料和工艺,是解决许多可靠性和失效产生的缺陷的关键。Rae博士举例说,近两年材料方面的进展形成的第二代通用型焊膏,除了具有更宽的工艺窗口,更容易应用,有更好的外观外,最为重要的是解决了空洞问题。空洞问题与焊膏组分的设计和温度曲线的控制密切相关,由于工艺温度的升高,工艺温度曲线的设置必须非常细致,以保证焊剂在焊点形成过程中被释放出来。然而,问题通常出在不同焊点的温度曲线可能不一样,温度设置不对的焊点(比如在升温较慢的大的元器件上),有些焊剂未能从焊接处释放出来。
  Short特别指出,无铅应用的硬件方面虽然已经足够用于实际应用,无铅转换过程很可能由于缺乏计划和培训被延迟,好在目前有关无铅的培训已经得到足够重视,全球各地均有提供给使用者的大量有关无铅的培训。Indium等公司甚至上门为客户定制培训过程。
  向实际应用过渡需要注意什么
  Rae博士认为,企业向无铅过渡需要经过几个关键的步骤。首先,制造商需要找到焊膏和焊剂的供应商,并索取到相应的可以证明其可靠性方面的数据,以及所有帮助客户建立无铅制程的工艺资料;第二步,了解公司拥有的设备是否具有无铅的能力;第三步是考虑物料和运作,安排具体实行无铅的生产制造,安排和通过工艺鉴定,考虑如何进行培训(表一)。
  挑选无铅锡膏的过程无疑是制造商面临的首要挑战,锁定合适的焊料需要进行可焊性、抗腐蚀性、表面阻抗(SIR)、可清洗性、可印刷性、焊膏可使用时限、组装成品率、以及可靠性等一系列的测试和鉴定,良好的供应商以及两者之间的合作关系是关键。
  另外,由于无铅焊的焊脚通常与锡铅焊接外观非常不一样,虽然焊接质量并无优劣,但确实会给公司带来一些麻烦,操作人员的培训可以确保合格的无铅焊接。“成功实行无铅的公司,均在操作员、检测人员的培训方面花了功夫。” Rae博士称。
  尽管无铅转换的各个环节都已清晰,但不难听到实际实施过程中几个月后以失败告终的实例。通常一些关键性的因素未受到足够重视,直接影响产品的可靠性、制程的稳定、以及无铅转换的成功。比如无铅波峰焊中,不同炉子之间、不同批号之间的兼容性问题,如果在无铅过程中使用了镀铅插件,并且没有采取相关措施,可能引起致命的可靠性隐患。另外,无铅的波峰焊炉内必须有保护层(coating),否则不锈钢将被腐蚀。
  如果使用合适的回流炉,使用中小型的电路板,选择合理焊接材料,无铅回流工艺一般无问题。对于电路板层数较多,板上元器件的大小相差较大的情况,回流无铅失败的原因很可能是焊脚温度不足,焊膏未充分熔化;也有可能是电路板被过分加热,损坏了板子或元器件。另外,一些锡桥接的问题可能通过PCB板的设计加以避免。
  Rae博士特别指出,在汽车和航空工业制造中,由于无铅合金的韧性不如锡铅合金,如果使用陶瓷元器件,由于热膨胀程度的不同,加热过程中,焊点不能象锡铅合金缓冲应力,容易产生焊接处的裂纹。汽车制造业是中国发展迅速的产业之一,而越来越多的电子组装进入到汽车的发动机、离合器等温度很高的部位的内部或表面,目前为止,还在进行大量的工作以设法解决这个问题。
  作为供应商,了解客户的要求是帮助客户成功进行过渡的关键。Henkel技术Loctite电子的业务经理丁亮对Loctite(乐泰)的摩帝可系列焊膏在手机领域的应用很有信心:“乐泰非常关注手机市场。手机的电路板生产有两个重要的特点,一是它的电路板的尺寸小,好的一点是元器件比较单一,但0201 之类的微型元件对组装的工艺要求比较高;第二是手机生产需要PCB组装工艺的速度很高。”乐泰的LF系列的性能在针对防立碑和印刷速度等方面均已得到客户的认可。
  日本尼宏半田(Nihon Handa)的许多客户是昆山的生产笔记本的台商,尼宏技术顾问Takamiyagi介绍说,台商厂对生产过程的质量和管理非常严格,虽然相对粗糙无光泽是无铅焊不影响可靠性的缺点之一,尼宏PF305-117系列焊膏的一个突出的特点就是焊点的外表光亮。
  Indium和Cookson也均有针对各种市场应用的产品。Indium的NC-SMQ230,可以使用SnAgCu和SnBiAg合金,本产品最近获得了Frost & Sullivan的Product Innovation Award。据Indium的Rich Short介绍,Indium在与Motorola三年成功合作的结果,不仅是Motorola使用Indium的焊膏生产出了几百万台无铅的手机,而且,Indium根据合作的过程开发出的系统的无铅过度流程QickStart,可以在与其它客户的合作中分享成功的经验。
  为抢占市场先机,相关供应商都在积极准备进行无铅过渡。马鑫认为,对于制造商,虽然无铅电子组装的标准化国际上目前还没有定论,而且有铅电子组装向无铅电子组装过渡涉及到设备投资、生产成本提高等具体问题,但同时也必须看到电子产品的无铅化蕴藏着巨大的商机,机遇只会光临有准备的企业。
  对制造商来说,国外再成熟的技术也需要在实际应用中去实践和掌握,无铅电子组装技术也不例外。一位业界专家举例说,生命周期长的通讯类的产品(如机站)受市场和法律的影响目前还小,但是,如果考虑到未来的市场优势,考虑元器件的标识和以后产品的返修等诸多细节问题,不难看出现在应是启动无铅转换进程的时机。
责任编辑: skylee

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