無鉛制程導(dǎo)入面臨問題及解決方案1引言

實(shí)施無鉛化電子組裝，許多企業(yè)并不主動(dòng)，而是在各種壓力下才轉(zhuǎn)為無鉛化生產(chǎn)。外來壓力主要包括法令規(guī)定、環(huán)保要求、市場利益、用戶需求、有害物質(zhì)回收處理和無鉛技術(shù)方面等。

無鉛化電子組裝實(shí)施5步法，即：（1）選擇正確的物料和設(shè)備，（2）定義制程工藝；（3）建立可靠的制造工藝：收集分析數(shù)據(jù)，排除制程中缺陷；（4）執(zhí)行無鉛化生產(chǎn)：生產(chǎn)開始后仔細(xì)跟蹤制程并作必要的調(diào)整；（5）控制并改進(jìn)制程：持續(xù)不斷的跟進(jìn)、監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)，并良好控制整個(gè)制程。

2物料選擇

2.1PCB

無鉛化制造中涉及許多與PCB有關(guān)的問題，包括設(shè)計(jì)、材料和工藝等，特別需要關(guān)注和控制的問題有：可焊性及熱過程中可焊性的退化問題；較低CTE基材選用問題；合適的焊盤涂層材料選擇問題；焊接過程中大尺寸PCB下垂變形問題；高溫下基板z軸的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致通孔可靠性問題；基材高溫分解引起的可靠性問題；基材吸水后在高溫再流過程中可能導(dǎo)致的內(nèi)部分層、玻璃纖維和樹脂界面接合的退化問題；另外還有兼容性和長期可靠性問題。

2.1.1基材

對于簡單產(chǎn)品，焊接溫度為235－240攝氏度，對于大熱容量的復(fù)雜產(chǎn)品，可能需要260攝氏度高溫才能滿足要求，傳統(tǒng)PCB基材大量使用溴化環(huán)氧樹脂等含鹵素聚合物的阻燃材料（含PBB和PBDE），在無鉛工藝高的焊接溫度下可能出現(xiàn)不可接受的變色、起皮和變形，而且容易釋放出高毒性物質(zhì)（如二惡英等致癌物），另外焊接溫度升高，由于材料的CET不匹配，尤其是Z方向，易造成多層結(jié)構(gòu)的PCB金屬化孔鍍層斷裂，一般玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg前后，都要求有較低的CTE，如圖1中B為合適的材料選擇。

常用FR4的Tg在135攝氏度左右，Tg下樹脂、玻璃纖維的CTE與Cu（16×16－6/k）相似，而在Tg－260攝氏度間Z軸CTE較大，（80－90×10－6/k），基于外觀要求、設(shè)計(jì)難度和綠色制造等理由，無鉛化用PCB應(yīng)轉(zhuǎn)向使用Tg較高的FR4、FR5或CEMn基材有助于降低不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力，但后兩者成本較高，表1和圖2為不同釬料焊接溫度對PCB基材的性能要求。Td為分解溫度/層壓分離溫度，定義為材料重量損失5％時(shí)的溫度，無鉛工藝中業(yè)界提出將Td改為質(zhì)量減少2％的溫度，如圖中Td為220攝氏度和260攝氏度，除了表中對PCB分解溫度的要求外，無鉛后PCB還要求一個(gè)參數(shù)T288，含義為溫度在288攝氏度時(shí)PCB能保持它的強(qiáng)度多長時(shí)間，IPC最近公布的FR4標(biāo)準(zhǔn)草案中為15min，此外在電鍍前還需除掉孔內(nèi)側(cè)樹脂/玻璃纖維，以增強(qiáng)金屬化孔臂與多層板的結(jié)合力，凹蝕深度一般為13－20μm，鍍銅厚度為25μm以上（CEMn指由表面和芯部不同材料構(gòu)成的剛性復(fù)合基敷銅箔層壓板）。

目前市場上出現(xiàn)一種高Tg的環(huán)保型材料，以含磷環(huán)氧樹脂取代溴化環(huán)氧樹脂作主體樹脂，以含氮酚醛樹脂取代傳統(tǒng)的雙氰胺作固化劑，通過添加阻燃助劑或氮和磷的作用提高產(chǎn)品的阻燃性，這種環(huán)保性材料比傳統(tǒng)型材料有以下優(yōu)點(diǎn)：鹵素含量低于0.09％（即無氯素板），具有優(yōu)良的耐熱性能（Tg為175攝氏度左右）和低的吸水性，Z軸熱膨脹系數(shù)低，介質(zhì)損耗低，可靠性高，另外，在強(qiáng)度硬度及熱應(yīng)力方面，環(huán)保型材料比傳統(tǒng)的性能要好。

2.1.2預(yù)焊劑

傳統(tǒng)PCB表面預(yù)焊劑處理是用有機(jī)溶劑將松香系變性樹脂溶解，經(jīng)于銅箔反應(yīng)形成銅與咪唑的絡(luò)合物而起到防銹效果。無鉛化之后，需采用新型咪唑衍生物做成高耐熱性水溶性預(yù)焊劑，其熱解溫度和防氧化能力需好于傳統(tǒng)的性能，比如松下公司研制的K型強(qiáng)耐熱性預(yù)焊劑，熱穩(wěn)定性可達(dá)350攝氏度，而其原來的T型預(yù)焊劑熱穩(wěn)定性僅為250攝氏度。

2.1.3焊盤涂層材料

印刷電路板焊盤表面涂層主要起到兩個(gè)作用：防止銅導(dǎo)線和焊盤氧化，保證焊盤可焊性，PCB表面無鉛化涂層材料包括Sn、Ag、Bi、Pd、SnAg、SnBi、SnCu、Sn/Ni、Au/Ni、Pd/Ni等。表2為主要的有鉛和無鉛PCB焊盤表面涂層材料比較，圖3為具有良好平整度的無鉛釬料HASL涂層表面。

2.2元件

無鉛制程導(dǎo)入過程中碰到的問題有相當(dāng)比例與元件質(zhì)量有關(guān)，無鉛制造中需改善元件的封裝材料和封裝設(shè)計(jì)，避免高焊接熱對元件所造成的熱沖擊，確保元件質(zhì)量。

2.2.1設(shè)計(jì)

速度封裝從安裝可靠性方面觀察，密封樹脂吸收空氣中的水分，再流焊時(shí)高溫使分水變成蒸氣而產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致芯片、焊盤和樹脂之間分層，如圖4所示，隨著無鉛化工藝的應(yīng)用，元件急需解決的兩個(gè)問題：一是封裝內(nèi)水蒸氣壓增加，二是各部結(jié)構(gòu)材料之間的熱膨脹差距擴(kuò)大，解決措施就是通過新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)進(jìn)行性能改進(jìn)，或根據(jù)表3元件封裝所能承受的峰值溫度來盡量降低焊接峰值溫度。

另外對于片式元件開裂現(xiàn)象，與溫度、CTE差異，元件尺寸等成正比，陶瓷電阻和特殊的電容對溫度曲線的斜率非常敏感，陶瓷體與PCB的熱膨脹系數(shù)相差很大，在焊點(diǎn)加熱或冷卻時(shí)容易造成元件體和焊點(diǎn)裂紋，最好采用RTS溫度曲線在降低開裂發(fā)生率。對于0201、0402和0603小元件一般很少開裂，而1206以上的大元件發(fā)生開裂機(jī)會較多。

2.2.2濕氣敏感性

無鉛焊接較高的再流溫度對塑料封裝元件的濕氣敏感性等級要求十分嚴(yán)峻，由敏感性引發(fā)的產(chǎn)品焊后分層、爆裂等，會嚴(yán)重影響電子組裝的可靠性，必須按照敏感性元件的存儲、使用和管理要求進(jìn)行嚴(yán)格控制，另外還需對濕氣敏感性問題重視和了解，一方面強(qiáng)化對供應(yīng)商的控制，一方面當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)可有效的解決。元件濕氣敏感等級要求可以參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：JEP113為濕氣面干性元件符號和標(biāo)識，J－STD－033A為濕氣敏感集成電路元件的分級和處置，JEDECA113為可靠性實(shí)驗(yàn)前塑封元件的預(yù)處理，表4為非氣密性固態(tài)表面貼裝元件的水汽/再流敏感性分級，實(shí)踐證明，溫度每升高10設(shè)施度，MSL的可靠性降1級，有效防止措施為提前預(yù)烘烤并盡量降低焊接峰值溫度。

2.2.3可焊性

元件無鉛化就是要引線和焊端部分涂層材料無鉛化，無鉛焊接對元件表面涂層的要求為無鉛、抗氧化、耐260攝氏度高溫，與無鉛釬料生成良好的界面合金，元器件焊端或引腳表面涂層材料有Sn、SnBi、SnCu、SnAg、SAC、Sn/Ni、Au/Ni，Pd/Ni、Ag/Pd，Au/Pd/Ni等，主要涂層材料為Sn、SnCu、SnBi、SnAg和預(yù)鍍NiPd/NiPdAu。所有高錫含量替代方案都產(chǎn)生焊須現(xiàn)象，存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.4元件標(biāo)簽

JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD97對標(biāo)識、符號、識別無鉛組裝的標(biāo)簽、組件和器件都有規(guī)定，要求在內(nèi)包裝和外包裝盒上都要打上標(biāo)簽，明確顯示包裝內(nèi)的產(chǎn)品符合RoHS指令，或者說是無鉛的，圖5標(biāo)簽顯示了帶有特殊無鉛字符的部件編號，同時(shí)還有表示無鉛的符號，標(biāo)簽還顯示該部件可采用260攝氏度的再流焊，并通過了3擊潮濕敏感等級（MSL）的認(rèn)證。

2.3釬料

傳統(tǒng)共晶釬料的替代方式有無鉛釬料、導(dǎo)電粘合劑（ECA）和嵌入式芯片，無鉛釬料技術(shù)相對比較成熟，而后兩種由于技術(shù)和成本問題，暫時(shí)沒有得到廣泛推廣。無鉛釬料選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：熔點(diǎn)低，潤濕性好、成本低、易成形，抗氧化，兼容性和可靠性好等，由圖6可以看出，目前使用較多的無鉛釬料有Sn0.7Cu，Sn3.5Ag和SAC3種，SnZn和SnBi等向外飛濺，過低則焊劑由擴(kuò)撒取代快速蒸發(fā)產(chǎn)生爆破，避免產(chǎn)生錫球，但會導(dǎo)致熔化前的熱輸入增加，在強(qiáng)制熱風(fēng)對流加熱方式中合金粉末氧化嚴(yán)重，導(dǎo)致潤濕不良。

熱塌陷與熱擾動(dòng)效應(yīng)為焊膏的本質(zhì)特性，它們?yōu)闇囟鹊暮瘮?shù)，導(dǎo)致粘度下降，溶劑蒸發(fā)效應(yīng)為一動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，其為溫度和時(shí)間的函數(shù)，導(dǎo)致粘度升高，對焊膏的塌陷起到一定的作用，圖17為兩種物理變化對焊膏粘度影響示意圖。采用帳篷形曲線降低升溫斜率，有利于溶劑更多蒸發(fā)而抵消分子熱振動(dòng)帶來的影響，當(dāng)升溫斜率足夠低時(shí)，焊膏粘度反而會隨著溫度的升高而增加，從而減少或抑制塌陷。

3.3.3熱電偶聯(lián)結(jié)方式

溫度曲線測試儀用來繪制溫度曲線，K型熱電偶常用來進(jìn)行溫度采集，由于熱滯后性通常設(shè)定為2s或4s，采樣周期一般為0.1s、0.2s，0.4s，0.5s或更高，通過SR232接口與計(jì)算機(jī)相連，測溫線直徑需盡可能小，一般為0.12mm，形狀為片狀，其時(shí)間常數(shù)小、相應(yīng)快，得到的結(jié)果精確。為了得到準(zhǔn)確的溫度曲線，還要注意正確的放置熱探頭位置，尤其是要注意BGA、FC等元件的測試，BGA元件熱電偶探頭接觸位置。

IPC－7530標(biāo)準(zhǔn)提供了熱電偶的聯(lián)結(jié)方法，熱電偶接觸有4種方法：高溫釬料聯(lián)結(jié)，鋁帶聯(lián)結(jié)，Kaptontape聯(lián)結(jié)和傳導(dǎo)樹脂聯(lián)結(jié)。高溫釬料最可靠。重復(fù)性最好，鋁帶可靠好，但重復(fù)性差一點(diǎn)；Kaptontape是一種熱傳導(dǎo)很好的電帶，但可靠性和重復(fù)性均差一點(diǎn)，傳導(dǎo)樹脂可靠性一般，但重復(fù)性很差，高溫釬料與熱電偶探頭聯(lián)結(jié)方法。

3.3.4氮?dú)獗Ｗo(hù)

氮?dú)獗Ｗo(hù)可以改善無鉛釬料潤濕性，降低了焊點(diǎn)內(nèi)部的空洞率，形成良好圓角，提高了焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度，隨著氧含量的降低，焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度升高，但在極低氧含量下由于出現(xiàn)芯吸現(xiàn)象，焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度反而降低。