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無鉛化電子組裝技術----綠色電子產品製造的技術壁壘與突破途徑
歐盟RoHS指令的最後期限(2006年7月1日)日漸臨近，中國政府的《電子資訊產品污染控制管理辦法》也將於短期內出臺，環保型電子產品的生產製造已經成為不可逆轉的發展潮流。無鉛化電子組裝技術，作為此次行業革命的一個關鍵性技術壁壘，也因此受到了業界的廣泛關注。本文旨在闡述無鉛化電子組裝領域的若干關鍵技術點，以幫助大家順利過渡到無鉛製程。
一、
無鉛化電子組裝的涵義
完整意義上的無鉛化電子組裝包括以下4個要點：
(1)
在印刷電路板級組裝過程的焊接工藝中，無論是手工烙鐵焊、浸焊、波峰焊還是回流焊（所使用的焊料形式分別為錫絲、錫條、錫膏），所使用的焊料是無鉛焊料；
(2)
電子元器件的引線框架/外引線表面鍍層為無鉛化鍍層；
(3)
印刷電路板的表面防護層為無鉛化防護層；
(4)
在相關材料（如助焊劑）、焊接工藝（如焊接溫度）和焊接設備上做出相應改變以適應無鉛焊接的需求。
二、
無鉛焊料的定義
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根據歐盟於2005年8月18日公佈的2005/618/EC檔，RoHS指令中禁止使用的六種有毒有害物質在均質材料(homogeneous
material)中的最大允許含量分別為：鎘的最大允許含量為100ppm，其餘五種均為1000ppm。這是判別一種物料是否符合RoHS標準要求的最根本判據。
與此同時，必須提醒大家注意的是在電子物料領域不是只有一個RoHS指令對有毒有害物質的含量有規定，不同的物料都有本行業的一些相關國際和國內標準。例如無鉛焊料，相關的ISO
9453、JIS
Z 3282等國際標準中對其中的鉛、鎘這兩種有毒有害物質的最大允許含量的要求為鉛含量小於1000ppm，鎘含量小於20ppm。顯然，這些標準與RoHS指令的規定是不一致的。應該遵循哪一個？道理很簡單，哪一個要求最嚴格就遵循哪一個。因此，無鉛焊料的準確定義是鉛含量等小於1000ppm，鎘含量等小於20ppm的環保型焊料合金。 |
表1
ISO 9453標準中關於無鉛焊料成分的規定
(wt.%)
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合金 |
Sn |
Pb
|
Sb |
Bi |
Cd
|
Cu |
In |
Ag |
Al |
As |
Fe |
Zn |
|
Sn-1Cu |
Rem |
0.1 |
0.05 |
0.1 |
0.002 |
0.45-0.9 |
0.05 |
0.05 |
0.001 |
0.03 |
0.02 |
0.001 |
|
Sn-3Cu |
Rem |
0.1 |
0.05 |
0.1 |
0.002 |
2.5-3.5 |
0.05 |
0.05 |
0.001 |
0.03 |
0.02 |
0.001 |
|
Sn-3Ag |
Rem |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.002 |
0.1 |
0.05 |
3.0-3.5 |
0.001 |
0.03 |
0.02 |
0.001 |
|
Sn-4Ag |
Rem |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.002 |
0.05 |
0.03 |
3.5-4.0 |
0.001 |
0.03 |
0.02 |
0.001 |
|
Sn-5Sb |
Rem |
0.1 |
4.5-5.5 |
0.1 |
0.002 |
0.1 |
0.05 |
0.05 |
0.001 |
0.03 |
0.02 |
0.001 |
注：各種雜質元素的重量百分比為其含量的最大允許值
三、
無鉛焊料的選擇
經歷了近15年的研發工作，國際上已經公認具備產業實用化特徵的無鉛焊料就是以Sn為基體、添加了Cu、Ag、In、Bi、Zn、Ni等元素的二元或多元合金。目前，工業界應用最廣泛的是Sn-Cu、Sn-Ag和Sn-Ag-Cu系的無鉛焊料，其中的代表是Sn-0.7Cu和Sn-3.0Ag-0.5Cu這兩種合金成分。
就波峰焊、浸焊、手工烙鐵焊的應用而言，筆者一直在業界推薦使用Sn-0.7Cu或者Sn-0.3~0.5Ag-0.7Cu(針對可焊性要求較高的組裝件，如電腦主板)的無鉛焊料，因為這是性價比最好的選擇。事實上就連大力鼓吹Sn-3.0Ag-0.5Cu合金的日本企業現在也在開始反思，在這些應用領域如何降低成本。日本方面已經就此成立了一個專門委員會，就筆者所知，其著眼點就在低Ag含量的Sn-Ag-Cu合金。
就回流焊的應用而言，筆者推薦Sn-3.0~4.0Ag-0.5~0.7Cu的無鉛焊料。一方面合金成本對錫膏價格的影響不大。更重要的是，高Ag含量的Sn-Ag-Cu合金的熔化溫度範圍在217-221°C之間，比低Ag含量（熔化溫度範圍在217-228°C）的要低7°C左右。這個溫度差別對於波峰焊、浸焊、手工烙鐵焊應用沒有什麼影響，但是對於工藝視窗(process
window)很窄的無鉛回流焊而言則是至關重要的。 |
四、
無鉛焊點的外觀檢測
無鉛焊點與有鉛焊點相比，在外觀上是有比較大的區別的。2004年11月IPC重新修訂了IPC-A-610標準，推出了IPC-A-610D版本，其中就特別增加無鉛焊點外觀方面的檢測標準。
IPC-A-610D的第五部分“Soldering”中特別指出，與有鉛焊點相比，無鉛焊點在外觀上主要有2點不同：（1）焊點表面粗糙度。有鉛焊點表面比較光滑，而無鉛焊點表面存在顆粒狀的紋路，光亮度也較差。（2）無鉛焊點的潤濕角較大。
同時，IPC-A-610D的5.2.11部分還特別就無鉛焊點表面的微小熱裂紋和收縮孔進行了說明。可以接受的無鉛焊點外觀為：（1）裂紋/收縮孔的底部可見；（2）裂紋或者收縮孔沒有接觸到元器件引線或者焊盤。反之，不能接受的無鉛焊點外觀為：（1）裂紋/收縮孔的底部不可見；（2）裂紋或者收縮孔接觸到了元器件引線或者焊盤。 |
五、
晶須問題
錫晶須(Tin
Whisker)問題已經研究了幾十年，但是似乎只是在無鉛化電子組裝興起之後才引起電子工業界的廣泛重視。晶須生長是一個長期可靠性問題，目前國際上還沒有統一的加速試驗方法標準。在此，筆者推薦日本Sony公司在其內部標準SS-00254中規定的晶須加速試驗方法(表2)。值得一提的是，該方法中提出了“晶須長度小於50m”的評價標準，這一點是值得工業界借鑒的。
就筆者的觀點而言，溫度迴圈是最為有效的Sn晶須加速試驗方法。因為鍍層材料與基體材料之間必然存在某種程度的熱膨脹不匹配，溫度迴圈載荷導致的熱應力將有助於驅動晶須的形成與生長。 |
表2
Sony公司的Sn晶須加速試驗方法標準
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|
預處理 |
試驗條件 |
附加條件 |
評價標準 |
|
溫度迴圈 |
不經歷預先
熱處理 |
-35°C，30分鐘
125°C，30分鐘 |
500次迴圈 |
晶須長度小於50m |
|
潮熱試驗 |
85°C，85%RH |
500小時 |
六、
相容性問題
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目前，主流的無鉛焊料有Sn-Cu、Sn-Ag-Cu等，元器件引線的無鉛化表面鍍層有純Sn、Sn-Cu、Sn-Bi、Ni/Pd等，印刷電路板的無鉛化表面防護層有浸Ag、浸Sn、OSP、ENIG等。它們相互之間的相容性如何？可焊性是否匹配？焊點強度和可靠性如何？這些問題一直缺乏特別系統的研究。也許只能是隨著時間的推移，大家在無鉛化製程的應用過程中不斷發現問題，再來不斷地予以修正。 |
文章提供：深圳市億鋮達工業有限公司副總經理
馬鑫博士
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