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无铅标准的进展
2007-04-11    Thomas Newton, David Bergman, Jack Crawford - IPC    EMAsia    点击: 8132
无铅标准的进展

   欧盟(EU)的RoHS指令(禁止在电子和电气设 备中使用六种有害物质的指令)已经生效, 然而故事远没有到结束的时候。铅金属是受 RoHS指令禁止的六种材料中最基本和研究最透彻的一种物 质。在电子组装中,铅可能出现在器件的引脚表面,也可 能出现在印制板的焊盘上,或者用于形成焊点的合金材料 中。更改一种焊料合金成分往往需要对器件材料和工艺同 时进行修改,以保证电子产品制造的可靠性。电子互连行 业承认标准(规范)是实施RoHS的基础,其他相关材料限 制规范也已经在世界各地广为生效。

   电子行业已经从他们的经历中学到了很多,这能够帮 助带动面向巨大变革的标准化进程。即便是积累了多年的 经验,挑战依然存在。

   有些挑战是来自立法上的。欧盟成员依然在对这个 指令的实施进行不屈的抗争。在试图回答由法规引起的 一系列问题,以及之后需要提供各种指导性文字(不同 的语言)去回答这些问题方面,依然还存在着理解上的分 歧……多轮豁免项目已经得到认可,相关的讨论也在继续 中。欧盟RoHS指令对全球电子互连供应链的影响比预期的 要大得多。可用性信息在继续增多,然而许多企业仍然不 清楚法规对他们是否有效。

   帮助全行业了解标准化信息是IPC使命的一部分。以下 提供了一些新的标准和修订的标准的信息,目的在于帮助 行业达到RoHS的要求,更有效地在全球市场竞争中取得有 利的地位。

器件标准

   器件和工艺兼容性是一个首要的关注点,因为无铅合 金往往需要更高的熔点温度。铅锡合金在183°C就能熔 化,典型工艺温度窗口在205-220°C;而通常无铅合金, 如SnAgCu (SAC 305),需要在217°C才能熔化,典型工艺温度窗口在230-250°C。

   更好的工艺温度要求器件供应商对潮敏器件(MSD) 的等级进行调整。IPC/JEDEC J-STD-020标准 “Moisture/ Reflow Classification for Non-hermetic Solid State Surface Mount Devices”,已经就无铅工艺带来的需求变更做了相 应的修订。目前修订的文件J-STD-020中,特别规定了潮 敏等级(MSL)测试是根据器件的厚度和数量来进行的, 并且将某些器件的MSL测试温度调高到260°C。

   相关的 IPC/JEDEC J-STD-033 标准文件“Handling, Packing, Shipping and Use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices”,提供给器件制造商和用户有关 使用、包装、运输的标准化方法,以及如何根据J-STD- 020标准规定的潮敏等级MSL来使用潮敏SMD元器件。这 些提供的方法能够避免因回流焊温度给潮敏器件可能带来 的损害,而这些损害会导致产品的质量和可靠性问题。它 还提供了对超过规定存放时间的器件如何进行烘烤处理的 建议。同时它规定,从封装之日起,在真空干包装袋中的 器件最多只能存放12个月,超过时限必须进行相关处理。 IPC/JEDEC J-STD-033 中相关标准的使用将为用户提供更 多的安全无损的回流焊效果。

   IPC/EIA J-STD-002 标准文件“Solderability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires”,已经进行了更新,包括针对无铅器件引脚镀层的 新的可焊性测试规定。

   很多器件制造商已经将器件引脚镀层从铅锡合金转 为纯锡或高纯度锡(>95%锡含量)的无铅镀层。这些镀 层引发了关于锡须问题。关于锡须的存在,很多研究机构 都进行了积极地研究。然而,为了对各种研究进行可行的 比较,急需建立一个加速锡须生成的标准测试方法。同 时,制造商们需要标准的测试方法去评估采用锡镀层器件 的效果。IPC和JEDEC已经开发出对锡须进行测试的标准 化方法。JEDEC已经发布了JESD22A121标准文件“Test Methods for Measuring Tin Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes”,其中对锡须加速测试和定义如何 检查锡须的测试条件进行了规定。

   得益于IPC的成果,JEDEC出版了第二份标准—— JESD 201“Environmental Acceptance Requirementsfor Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes”。这份关于接受标准的文件将和已经出版的测试 方法文件同时使用。

   最后,JEDEC和IPC共同编写的JP002标准“Current Tin Whiskers Theory and Mitigation Practices Guideline” 已于2006年3月正式发布。这份指导文件是迄今为止对 锡须问题最完善的描述。用户最终能够从一个完善的知 识库中获得有益的信息,包括上面所讲的两份JEDEC的 规范以及共同出版的指导性文件。这是一份不断更新的 指导文件,根据相关数据的增加和合并情况会进行频繁 的修订。我们相信,最终文件上的“mi t i g a t i o n”(减 轻)一词将更换为“elimination”(消除),而文件的名 称“guideline”(指导书)也将转换为“specification”(规 范)。然而,每一个参加修订工作的人员都清楚,要实现 最终的“specification”(规范)目标还需要很长的一段时 间。

印制板设计规范

   许多公司都在询问,IPC设计规范是如何根据无铅焊 接的要求进行更新的,尤其是SMT焊盘类型的设计形状。 回答是IPC不会修改设计规范,即便是因为无铅而产生的需 求。在IPC-7351A“Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard”标准中很清楚 地表明,无论是铅锡还是无铅焊接,表面贴装都将采用同 样的焊盘设计。采用IPC-7351A标准,在SMT上无铅和铅锡焊接没有任何区别,所以就没有必要再作尺寸上的修改。

丝网制作

   新的修正版本即将发布, 届时将采用I P C - 7525A“Stencil Design Guidelines”标准为无铅工艺提供 相关建议。作为通用的设计指南,丝网开口尺寸将与板子 焊盘的尺寸相当接近,这是为了保证在焊接后整个焊盘拥 有完整的焊锡。弧形的边角设计也是可以接受的一种,因为相对于直角的设计,它更容易解决焊膏粘连的问题。

光板规范

   对于印制板表面处理来讲,制造商有很多可能的选 择,而且几乎所有的选择都会使用到无铅组装中去。这些 镀层是根据应用的需要和企业的喜好来选择的。无铅焊锡 热风整平(Hot air, lead free solder leveling ;HASL), 浸锡(immersion tin),浸银(immersion silver),OSP(organic solderability preservative) 和ENIG(electroless nickel / immersion gold)等各种方式已经被成功用于无铅组装中去。IPC已经发布了三个有关镀层的标准,分别是IPC-4552“Specification for Electroless Nickel/ImmersionGold (ENIG) Plating for Printed Circuit Boards”ENIG的标准,IPC-4553 “Specification for Immersion Silver Platingfor Printed Circuit Boards”浸银的标准,以及有关浸锡的标准IPC-4554。序列中有关OSP的第四个标准IPC-4555也即将完成。IPC/EIA J-STD-003B“Solderability Tests forPrinted Boards”,也已经完成了针对无铅镀层光板可焊性测试的标准的更新。

无铅组装材料认证

   IPC已经修订了一批与电子组装有关的材料的焊接标 准。关于测试方法的更新正在进行中,对应文件是 J-STD- 004A“Requirements for Soldering Fluxes”;而文件IPCHDBK- 005“Guide to Solder Paste Assessment”则是对 J-STD-005“Requirements for Soldering Pastes”支持和 应用方面的标准文件,并集成了无铅材料的具体信息;标 准文件 J-STD-006“Requirements for Electronic Grade Solder Alloys and Fluxed and Non-Fluxed Solid Solders”集 成了大量的无铅合金数据,包括一张最新ISO认可合金与在J-STD-006B定义的合金之间关联的对照表。

无铅组装标准

   IPC什么时候对无铅组装要求给出标准?答案是:去 年!IPC-A-610D and IPC J-STD-001D包含了对无铅焊接 的要求。基础层面上,在焊点润湿和成型方面没有太多的 差异;然而,在外观上确实还是存在一些差别的。通常, 可接受的无铅焊点与铅锡焊点呈现相似的外观,但是无铅 合金焊点往往具有更加粗糙的表面(灰暗或者钝化),有 明显的冷却线(cooling lines)以及潜在的不同润湿分布。 无铅焊点经常具有更大的接触角,但需要强调的是,90o 的焊角需求与铅锡焊点是没有差异的。

   无铅焊点有一些独特的可接受特性,比如焊脚翘起 (从 焊点的底部到焊盘的表面分离),比如热断裂或者收缩孔。 还有需要考虑的是,虽然目前仍然没有明确的数据可以表 明空洞和连接失效之间的明确关系,但事实上BGA的空洞 现象增加会带来一些潜在的产品可靠性风险。

无铅标签

   现存的用于标识无铅器件和无铅焊接的IPC和JEDEC标 签标准是JESD97“Standard for Marking, Symbols and Labeling for Lead-free Assemblies and Components”和 IPC 1066“Standard for Lead-Free Labeling”。IPC-1 0 6 6 不仅含有无铅标签的信息, 而且包括对无卤素(Halogen Free,HF) 和涂覆材料的标签要求。这些标准正在被整合到新的标准J-STD-609中去。

敷铜层压

   无铅制造往往需要更高的工艺温度。多年来,器件 制造商们发现,由于更高温度的需求,他们的产品已经被 拉到了极限的边缘。经过艰巨的标准化工作,大多数器件 供应商看起来已经能够适应无铅焊接提出的更高温度的要 求。接下来的几年,PCB制造商们开始去了解他们现有的敷铜层压(CCL)技术是否能够在更高的工艺温度下幸存。

   2006年6月12日,IPC发布了IPC-4101B“Specification for Base Materials for Rigid and Multilayer Printed Boards”标准。这个修订版含有6种与CCL相兼容的FR4无 铅组装材料特性表。由于更高的工艺温度,无铅CCL特性 需要在热阻抗,Z轴方向的延伸以及 层间支持方面做出改 善。有一些新的测试方法去评估这些更高要求的特性。

   这些新的材料文件包括了与无铅组装兼容的FR4基材相 关的新的特性表。这些特性给出了一些现有FR4基材所不具 有的认证和周期性确认需求,包括Td (分解温度),分层时间 (T260, T288, T300)和Z方向的热膨胀系数。这些新的等级材 料,在热性能和物理性能方面更加强大,更适合无铅组装 并提供了更宽的工艺窗口。具体的信息可见下面不同材料 的特性清单:

IPC-4101B/99 高 Tg FR-4, inorganic fillers,brominated flame retardant

IPC-4101B/101 低 TgFR-4, inorganic fillers, brominated flame retardant

IPC-4101B/121 低 Tg FR-4, no fillers, brominated flame retardant

IPC-4101B/124 高 Tg FR-4, no fillers, brominated flame retardant

IPC-4101B/126 极高 Tg, inorganic fillers, brominated flame retardant

IPC-4101B/129 极高 Tg, no fillers, brominated flame retardant

   这些特性表拥有共同的关键字“无铅FR4”。那么其 他FR4材料可以用于无铅组装吗?回答是可以。还有除了 FR4材料之外的其他基材可以用于无铅组装吗?回答也是 可以。IPC总是采取“最适合使用”的观点去评价特定的基 材。有一点是明确的,目前有更多的厂家关注在层压材料 上。IPC将继续在CCL领域进行研究和标准化工作。而且最 近在CPCA团体的帮助下,IPC-4101B已经被翻译成中文发行。

电气性能

   PCB材料在提高热阻抗能力的同时可能改变电气性 能。无铅组装的需求可能引起PCB聚合物的敏感变化, PCB特性设计特别是某些为高速性能设计的PCB,其采用 常规环氧材料所要求的最大电子性能发挥会受到影响。任 何为无铅应用所采用的新型层压材料设计必须进行电容率 或介电常数 (Dk or εr) 以及耗散因数或损耗因数(DF or tan δ)测试,以便量化电气设计调整需求。IPC-4101B在它的特性表中列出了对层压材料电气特性的需求。

材料声明

   许多用户已经开始要求他们的供应商汇报材料的无铅 应用情况,以便提高他们产品的名声。一份份不同格式的 材料信息收集和分发表格给供应商团体带来了令人生畏的挑战。

   IPC开发了IPC-1752标准“Materials Declaration Management”,是一份用来告诉人们如何去进行声 明的标准规范。该标准参照了RoHS指令以及其他行业标准 有关如何进行报告的标准格式。

   IPC-1752标准版本1.1是一份采用了Adobe格式技术 的PDF文件。这种技术允许对PDF文件进行内容增加和提 取。标准包括:法人需求的相关信息;供应商信息和部件 信息。声明的方式可以是非常简单   的“是,我们的产品是 RoHS符合的”,也可以是非常综合和全面的,100%按 照指令要求进行声明。表格还有一些选项,包括:基本的 有关制造商需求的信息,例如最大的回流焊温度;一些法 律上的声明,如公司的法律上符合声明;具备数字签名能 力,以便使表格具有法律约束力。

   IPC有理由相信,当IPC-1752实施后,电子制造商 们将不会再遭受因各公司各种不同的材料声明表格给他们 带来的巨大压力。同时,各个公司的需求数据也会根据标 准的规定,通过不同的选项被分解成不同的需求层次和范 围。IPC-1752应该能够减少RoHS符合过程中的成本和复 杂性,同时提高数据的质量,减少相应的处理时间。

作者介绍:
Thomas D. (Tom) Newton, IPC PCB项目、标准和技术总监,联系方式:TomNewton@ipc.org
David W. Bergman, IPC标准、技术和国际关系副总裁,联系方式:DavidBergman@ipc.org
John A. (Jack) Crawford,IPC认证和组装技术总监,联系方式:JackCrawford@ipc.org
责任编辑: skylee
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