無鉛轉(zhuǎn)換的加速進(jìn)程與SMT的問題

半導(dǎo)體和電子制造商目前都必須面對(duì)一個(gè)環(huán)境保護(hù)問題，即如何符合歐共體頒布的兩個(gè)管理規(guī)定，《電子電氣設(shè)備廢棄物(WEEE)》和《有害物質(zhì)的限制法案(RoHS)》。

　　電子工業(yè)正面臨環(huán)境保護(hù)的挑戰(zhàn)，不僅電子產(chǎn)品需要是環(huán)保的，電子制造的過程也必須滿足環(huán)境友好的 要求。歐共體頒布的二個(gè)用于環(huán)境保護(hù)的管理規(guī)定，即《電子電氣設(shè)備廢棄物(WEEE)》和《有害物質(zhì)的限制法案(RoHS)》，要求鉛和其它有害物質(zhì)在電子產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程中的使用，必須在2006年7月1號(hào)之前得到管理。半導(dǎo)體和電子制造商都必須對(duì)此采取相應(yīng)措施。

　　幾乎所有電子電氣產(chǎn)品都是將半導(dǎo)體器件焊在印制板上。這些產(chǎn)品達(dá)到使用壽命報(bào)廢后，通常被進(jìn)行填 埋處理。錫鉛焊料由于其使用方便、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、電氣和機(jī)械性能良好的特性，多年來一直被廣泛用于電氣連接。然而，近年來由于環(huán)境污染，酸雨開始與填埋的鉛廢 料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，酸雨將鉛轉(zhuǎn)化成很易溶于水的離子化合物，污染水源。無鉛焊料和焊接工藝的研發(fā)因此成為重要的環(huán)境問題。

　　雖然美國迄今還沒有類似的立法規(guī)定，但歐州要求在半導(dǎo)體和電子設(shè)備中減少鉛的使用，并規(guī)定在2006年7月1日完全實(shí)行無鉛裝配。這將會(huì)對(duì)全球市場產(chǎn)生廣泛影響。在過渡期間，全球的供應(yīng)商必須選擇，是否完全從 有鉛轉(zhuǎn)換至無鉛生產(chǎn)，還是使用有鉛和無鉛參混的生產(chǎn)模式。后者必須在生產(chǎn)、材料和產(chǎn)品等方面進(jìn)行細(xì)仔的跟蹤。為了減少混合生產(chǎn)模式中供應(yīng)商和客戶長期面臨的供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也為盡快轉(zhuǎn)換到生產(chǎn)環(huán)保產(chǎn)品，Toshiba建議工業(yè)界縮短此過渡期，在2004年完成從有鉛到無鉛組裝的轉(zhuǎn)換。

　　為縮短向無鉛轉(zhuǎn)換的時(shí)間，OEM、合同制造商(CM)和半導(dǎo)體供應(yīng)商需要緊密合作。業(yè)界對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的支持以及承擔(dān)的義務(wù)，是有效實(shí)現(xiàn)無鉛、開發(fā)更寬泛的工藝窗口和生產(chǎn)制程的關(guān)鍵。為幫助業(yè)界理解眼前面臨的問題，以下綜述了與無鉛化轉(zhuǎn)換有關(guān)的商業(yè)和技術(shù)問題。

　　技術(shù)問題

　　雖然離歐盟建議的管理規(guī)定的實(shí)施還有近三年的限期，電子元器件制造商、消費(fèi)類電子產(chǎn)品公司、學(xué)院 和其他組織都已經(jīng)對(duì)無鉛制造做了細(xì)致深入研究。然而仍有大量有待予以解決的技術(shù)問題，會(huì)影響供應(yīng)商和客戶。首先，無鉛的標(biāo)準(zhǔn)還沒有制定;其次，質(zhì)量和可靠 性測試還待標(biāo)準(zhǔn)化;另外，在某些情況下，元件很難做到應(yīng)有的“前向兼容性” 和“后向兼容性”(backward and forward compatible)。在客戶方面，因?yàn)樾潞辖鸬蔫b定需要較長時(shí)間，生產(chǎn)可能會(huì)被 延遲;對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的改造與性能提升，也會(huì)延遲生產(chǎn)。為更有效地轉(zhuǎn)換至無鉛制造，半導(dǎo)體制造商、OEM客戶、EMS合同制造商、以及供應(yīng)商，需要在各個(gè)層次上相互合作研究，共同關(guān)注上述這些技術(shù)問題。

　　設(shè)計(jì)問題

　　順利轉(zhuǎn)換至無鉛制造需要一定時(shí)間，工業(yè)界最好現(xiàn)在就開始設(shè)計(jì)無鉛產(chǎn)品。新產(chǎn)品的測試、鑒定、以及 諸多供應(yīng)鏈問題，牽涉到業(yè)界的很多部門，設(shè)計(jì)完成之后這些問題需要占用很多的時(shí)間。

　　無鉛的定義

　　迄今為止，無鉛封裝的定義還未被正式確定。對(duì)于引線涂層和BGA焊球，歐盟規(guī)定的無鉛閾值為Pb<1000ppm;JEIDA也定為Pb<1000ppm。JEDEC最初建議使用pb<2000ppm，但最近JEDEC決定將不為無鉛設(shè)定一個(gè)ppm值。由于合同制造商和EMS分處全球各地，無鉛定義的不確定，使得SMT物料和工藝的選擇及其鑒定工作更為復(fù)雜。歐盟管理規(guī)則的正式推出，使全球使用一個(gè)無鉛定義標(biāo)準(zhǔn)成為可 能。

　　質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)

　　現(xiàn)有的IPC工藝標(biāo)準(zhǔn)適用于有鉛產(chǎn)品?，F(xiàn)在的SnPb合金己使用幾十年，IPC標(biāo)準(zhǔn)為產(chǎn)品定義了最低的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，客戶和供應(yīng)商使用此標(biāo)準(zhǔn)來作接收和拒收的決定。采用無鉛合金時(shí)，為避免錯(cuò)誤地解釋產(chǎn)品的接收標(biāo)準(zhǔn)，需要建立一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。回流焊后各種無鉛焊點(diǎn)的目視外觀問題，就是一個(gè)能說明此問題的一個(gè)很好的例子。比如，純錫焊點(diǎn)比SnBi焊點(diǎn)更光亮，這會(huì)是未接受培訓(xùn)的檢驗(yàn)員產(chǎn)生疑惑。另外，待建立的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)該易于SMT生產(chǎn)線上操作員和檢驗(yàn)員的培訓(xùn)。缺乏可用以判斷工藝問題的標(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的延期交貨的發(fā)生。

　　錫須(whisker)引起很大關(guān)注的原因是非常明顯的。雖然己有很多獨(dú)立研究的報(bào)告，業(yè)界目前仍沒有錫須試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)程 序。最近IPC/JEDEC在臺(tái)灣省召開的無鉛國際會(huì)議上，就有幾個(gè)公司發(fā)表了使用不同測 試方法對(duì)錫須生長進(jìn)行研究的報(bào)告。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化非常重要　　無鉛的可焊性測試和焊料可靠性測試也待標(biāo)準(zhǔn)化。如有全球接收的測試方法，無鉛元件的鑒定時(shí)間將會(huì)縮短，重復(fù)測試可以減少，從而降低客戶和供應(yīng)商的成本。圖一是Toshiba對(duì)SnPb和預(yù)涂覆鈀Pd PPF(pre-plating-frame)試件的濕潤性和焊點(diǎn)拉伸試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，SnPb和SnAgCu焊料對(duì)SnAg涂層和Pd PPF引線涂層的濕潤性，與這些焊料對(duì)SnPb涂層濕潤性是相近的。

　　Toshiba也對(duì)焊在PCB上的器件做了焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這些無鉛涂層的引線拉伸強(qiáng)度與傳統(tǒng)SnPb涂層引線拉伸強(qiáng)度在同一水平上。SnAg和Pd PPF焊點(diǎn)的強(qiáng)度試驗(yàn)，顯示它們的強(qiáng)度可靠性是滿意的。

　　后向兼容性和前向兼容性

　　向無鉛制造的過渡不可能在一夜間就完成，SMT組裝線可能使用雙模式制造線，即在生產(chǎn)中同時(shí)采用有鉛和無鉛的材料進(jìn)行組裝。這包括無鉛工藝中使用有 鉛元件——有鉛元件能否用于無鉛工藝稱為前向兼容性(forward compatible),或在有鉛工藝組裝中使用無鉛元件——這稱為后向兼容性(backward compatible)。同時(shí)具有此雙向兼容性最好，然而，這還要克服很多技術(shù)難 點(diǎn)。大多數(shù)含鉛產(chǎn)品的最高回流溫度都控制在240℃，而根據(jù)JEDEC J-STD-020B，無鉛焊回流的峰值為240℃-250℃。半導(dǎo)體供應(yīng)商必須根據(jù)J-STD-020B重新界定其元器件的濕敏感度(MSL)。新的規(guī)范設(shè)定的峰值溫度為大型封裝(>350 mm3)240℃,和小型封裝250℃。圖4是Toshiba建議使用的用于有鉛和無鉛產(chǎn)品的溫度曲線。