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无铅PCB板超势

距离2006年7月1日电子产品全面无铅化的日子越来越接近了,电子业界为了符合此一潮流都正在如火如荼的进行各项相关制程的变更,然而在变更的同时势必会发生许许多多的问题,这些问题该如何克服?在导入无铅制程的同时,又该注意什么事情?如何制定无铅制程导入的流程?以下的说明希望能够提供给电子业界先进一些帮助。


      在无铅制程当中要了解的事项繁多,因此建议先从以下7大方向来加以讨论:


       1. 各国相关无铅法令
       2. PCB基板材质的选择
       3. 无铅零件材质的选择
       4. 焊接设备应注意事项
       5. 焊接材料的选择
       6. 制程变更
       7. 可靠度试验

 

1. 各国相关无铅法令:


       1.1 欧盟


       目前欧盟已针对电子产品发出禁铅令,并拟定所谓的RoHS指令,此条文中明确规定”铅”,”汞”,”镉”,”六价铬”,”PBB”,”PBDE’s”这六项物质不得存在或者超出所规定的含量,并规定所有的欧盟成员国必须于2004.8.13以前完成立法,并于2006.7.1正式执法。以下为这六项物质可能冲击的产品。目前使用的电子产品铅电机电子设备,电池,铅管,汽油添加剂,颜料,PVC安定剂,灯泡之玻璃,CRT,或电视之阴极射线管,焊接材料…等镉被动组件,焊接材料,红外线侦测器,半导体,PVC…等汞温度计,感应器,医疗器材,电讯设备,手机….等PBB&PBDE’s各式电子产品,PCB,组件,电线,塑料盖….等

 

1.2 日本


日本电子工业发展协会(JEIDA)、日本工业规格协会(JIS)…等都已经正在进行草拟各种相关的无铅规格要求,在此之前,日本各相关知名厂商如SONY,NEC,HITACHI,PANASONIC,TOSHIBA….等等都已经明定出禁铅的相关条文(例如SONY之SS00259)

 

1.3 美国


美国的电子业界原先针对导入无铅化制程的态度原本就不是那么积极但是在世界环保潮流的推波助澜下,包括NEMI协会及一些世界知名的电子大厂(例如HP,DELL,IBM….等)都已经拟定禁铅的时程。

 

1.4 中国


       目前全世界最大的电子产品生产基地”中国”,针对无铅化的到来,已制定”电子信息产品污染防治管理办法”并预计于2005年1月1日起开始施行。

 

2. PCB基板材质的选择


      目前可用在无铅制程上的PCB基板不外乎有六种材质可以选择:


      a. 镀金板 (Electrolytic Ni/Au)
      b. OSP板 (Organic Solderability Preservatives)
      c. 化银板 (Immersion Ag)
      d. 化金板 (Electroless Ni/Au, ENIG)
      e. 化锡板 (Immersion Tin)
      f. 锡银铜喷锡板(SAC HASL)


       以上六种板材,由于化锡板与锡银铜喷锡板的制程尚未成熟,在市场上接受度还有疑虑情形之下,在此先不进行讨论


      a. 镀金板


       这是目前现有的所有板材中最稳定,也最适合使用于无铅制程的板材,尤其在一些高单价或者需要高可靠度的电子产品都建议使用此板材作为基材,只是其成本也是所有板材中最高的。


      b. OSP板


       使用此一类板材,在经过高温的加热之后,预覆于pad上的保护膜势必受到破坏,而导致焊锡性降低,尤其当基板经过二次回焊后的情况更加严重,因此若制程上还需要再经过一次dip制程,此时dip端将会面临焊接上的挑战。


      c. 化银板


       虽然”银”本身具有很强的迁移性,因而导致漏电的情形发生,但是现今的“浸镀银”并非以往单纯的金属银,而是跟有机物共镀的”有机银”因此已经能够符合未来无铅制程上的需求,其可焊性的的寿命也比OSP板更久。


      d. 化金板


       此类基板最大的问题点便是”黑垫”(Black Pad)的问题,因此在无铅制程上有许多的大厂是不同意使用的,例如HP便规定所有的HP产品都不可使用此类基板,Dell亦是!


      3. 无铅零件材质的选择:


       关于无零件的最重要的便是零件的耐温性与零件镀层的材质,一般来说SMT零件的耐温性要求必须要达到260℃以上,另外零件脚的镀层合金组成, Ni/Pd/Au , Ni/Pd,Matte Sn(非亮面)(Sn / 1-3%Bi or Sn / 1-5%Ag)都是可以适用的,至于BGA或者CSP等零件的焊锡球建议使用Sn/Ag(3-4%)/Cu(0.5-1)此合金组成


      4. 焊接设备应注意事项


      a. SMT设备


       一般来说,SMT无铅制程所使用的Reflow建议需使用8个加热区,若低于8个加热区,并非不能用于无铅制程,只是若炉子长度不够,为符合使用无铅制程所需的profile,势必要将速度降低,如此将会影响到产能。另外由于无铅焊材的沾锡性会比63/37要差,因此若要改善吃锡性的话,除了添加多量活性剂于锡膏当中之外,也只得靠氮气来增加吃锡效果。最后最重要的便是冷却区,由于无铅的熔点比较高,为了使金属固化的时候能够更加紧密接合,加热后的急速冷却就变的相当重要了,一般降温速度将由以往的1℃/sec至少提升到2℃/sec以上会来的比较恰当!因此坊间都已经有水冷式的reflow问世了。


      b. Dip设备


       以往用于63/37制程的波焊炉是无法使用于无铅制程,主要原因为无铅锡棒的熔点都较以往提升30~40℃,因此锡槽的加热功率一定要提高,如此热补偿的速度才足够,目前各电子厂的测试作业温度大多设定在(使用锡银铜成分时260-270℃、使用锡铜成分时270-280℃)。另外由于长时间的使用无铅焊材,当中的高比例的锡成分,在长期高温下很容易对锡槽璧产生侵蚀,因此以往使用不锈钢作为锡槽原材将不足以克服此现象发生,所以各设备商纷纷以”钛”合金试图延长锡槽的寿命!


      c. Rework 设备


       现今所使用的烙铁焊台所使用的瓦数大多为30~40瓦,但是无铅制程所使用的锡丝熔点已经比以往提高30℃以上,若继续使用此焊台的话,温度一定要调整到420~450℃以上才可以将无铅锡丝溶化,但是相对烙铁头的寿命也将
降低,因此建议必须要全面更换无铅专用焊台,瓦数至少达到80瓦以上,温度同样设定在350~380℃,在热补偿速度足够下即可顺利进行锡丝焊接制程


      5. 焊接材料的选择


       目前市场上无铅焊材的主流仍然是以: 锡银、锡铜、锡银铜为主


      a. 锡银(Sn96.5/Ag3.5 熔点 221℃)


       这种合金在没有讨论无铅制程之前就已经被使用在一些电子产品上了,在无铅制程被提出后,本来认为可以用来取代原先的Sn/Pb制程,但由于此合金的表面张力较大,导致其扩散性降低,进而影响到吃锡的效果!虽然有些厂商仍然会使用到此合金,但并没有受到电子业界的广泛的使用!


      b. 锡铜(Sn99.3/Cu0.7 熔点 227℃)


       此合金是目前用于波焊制程当中价格最便宜的合金,也是美国NEMI协会所推荐使用的合金,缺点是所需的作业温度比较高(270~280℃)。另外为了加强此合金焊接后的强度,会在此合金当中添加微量的Ni(大约0.1%)。


      c. 锡银铜(Sn/Ag3~4%/Cu0.5~1熔点219℃)


       此合金是目前市场上最被接受的合金组成,用于市场上不同的配方比例有


      好几种,以下说明世界各国组织所建议的详细合金范围:


      (1) 美国NEMI协会----(Sn95.5/Ag3.9/Cu0.6)
      (2) 日本JEIDA协会----(Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5)
      (3) 欧盟---(Sn96.5/Ag3.8/Cu0.7)


       不论上述协会所推荐合金组成为合,只要是在(Sn/Ag3~4%/Cu0.5~1)这个范围都是被电子业界所接受的


      d. 其它合金


       至于目前市场上,尤其是日本方面,使用在无铅的产品上面,还包括有”锡-锌”系列的产品或者是”锡-银-铟”,”锡-银-铋”….等等,这些合金通常都是使用在某些特定产品上。


      e. 锡银铜镍锗五元合金


       目前锡银铜系列的合金还有一款值得推荐,”锡/3.0银/0.5铜/0.06镍/0.01锗”此种合金组成特别针对锡银铜的一些缺点进行改善,例如焊点裂痕,凹洞..等在锡银铜合金当中添加”镍”可以促进合金组织细微化,增加焊点强度,添加“锗”,由于此金属的比重较轻(约5.36)因此会在焊锡表面层形成一层类似保护膜的作用,进而阻止合金氧化,增加润湿的能力。


      6. 制程变更


      a. SMT制程


       钢板的设计: 由于无铅焊材的扩散性较差,因此以往用于Sn63/Pb37制程将钢板内缩的开法将不再可行,建议将钢板开孔与Pad以1:1的比例设计,甚至长宽都再加长!Profile的设计: 参考锡膏供货商所提供的profile即可!尤其在冷却区的部分一定要提高冷却速率,否则将会有锡凹或者锡裂的现象发生


      b. DIP制程


       治具的设计: 由于无铅焊材的流动性较差,若要改变流动性就必须将温度提高,但是又要确保零件可以承受,因此治具设计的重要性就显的重要多了。Profile的设计: 参考锡膏供货商所提供的profile即可!但是在波焊炉的出口
建议加装急速冷却的系统,避免焊点出现锡裂的现象!


      c. 检测制程:


       AOI 检测: 由于无铅焊材的焊点表面为雾状,因此原先使用于含铅焊点所设定的参数必须做调整ICT 检测: 若使用OSP板材,则PCB基板上的测试点必须要涂布锡膏,如此才可避免探针无法接触测试点而造成误判的情况发生


      7. 可靠度试验


       当完成后的无铅组装板,必须执行以下几项的测试,以确保产品的可靠度:


      a. 振动试验(Vibration Test)
      b. 热冲击(或者是热循环)测试(Thermal Shock Test)
      c. 金相切片试验(Cross Section Test)
      d. IC零件脚的拉力试验(Pull Test)
      e. 电阻电容的推力试验(Shear Test)
      f. 摔落试验(手机产品)


       以上试验,d与e项,在成品完成后与经过b项试验后都建议执行!另外金相切片的部分,需执行BGA零件,IC零件,Chip零件,PTH零件,除以上零件之外若产品上有重要零件也须一并进行,主要目的为观察零件与PCB基板间的
焊接状态与IMC层的状态!


      8. 建议流程:


       综合以上说明,简单来说,若要完成无铅产品的导入,先期的试验流程简述如下: 取得4种pcb的基板当作测试板,取得无铅零件,取得无铅焊接材料,利用现有的设备进行焊接,完成后先观察外观的焊接状态,进行第7项c.d.e的检查
从四种的测试结果选取两种较好的焊接状态,进行正式板的测试,当正式板完成后再按照第7项进行所有的测试!


      9. 结论


       要从锡铅制程导入无铅制程的过程,若不深入了解的话,势必会产生一些问题因此必须要先了解各国相关法令的内容后,再依据内容去要求各相关厂商提供符合法令的无铅产品,组装厂本身也必须针对无铅制程,对厂内各种设备进
行汰旧换新。

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