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无铅制程导入面临的问题及解决方案


无铅制程导入面临的问题及解决方案(续)
3.4.6 杂质元素控制 表 8 为无铅焊料中污染元素含量上限要求,实际生产过程中,对焊料槽中 Cu、Pb、Fe 杂质要进行严格控制。

焊料中的 Cu 主要来源于电路板镀层和元件镀层,SAC 合金更趋向于溶解铜,速 度是 SnPb 合金的 2 倍,是 SnCuNi 合金的 3.5 倍,使用 SnCu 焊料要密

切注意 Cu 的 含量,由图 28SnCu 合金相图可以看出:当 Cu 成分改变 0.2%时,熔点增加 6℃;成 分改变 0.25%时,就产生 Cu6Sn5 结晶体;成分改变 0.3%时,就会明显出现桥连缺陷, 需要清理,成分改变 1%,熔点增加 25℃,即要更换焊料,Cu6Sn5 化合物不能使用 传统"密度排铜法"(190℃/8h)来清除,应该通过选择合适的焊料勾兑的方法,否则须 更换焊料。

3.4.7 氮气保护 如图 29 所示,无铅焊料在空气中焊接形成的气孔和夹杂等缺陷较多,尤其在通孔 焊中,无铅焊接工艺中,常常在焊料槽部分增加如图 30 氮气保护装置。

氮气保护具有以下优点:改善润湿性,使焊点更光亮,降低锡尖和桥连等缺陷,进 而减少修补时间以及人工费用, 促进润湿进而降低焊剂使用量, 减少印刷电路板表面残 余物;增加生产线正常运行时间,降低锡渣量,节省焊料成本及处理锡渣带来的人工费 用;让使用中性焊剂成为可能。大量工艺研究发现:当氧含量为 1×10-3 时,锡渣量 可以减少一半左右。 3.4.8 快速冷却

无铅波峰焊工艺中,冷却速率业界一般要求为 6-8℃/s 或 8-12℃/s。理论上冷 却主要影响焊点的晶粒度、IMC 形态和厚度、低熔共晶和偏析和剥离现象产生,但实 际生产过程中焊点在离开波峰到达冷却区之前温度已经下降到熔点以下, 冷却区并不能 起到理论作用, 波峰焊工艺中增加强制冷却还会产生表面裂纹的趋势, 其主要作用为降 低组件焊后温度方便搬拿。 3.4.9 传输系统 链条传输系统必须平稳, 并维持一个恒定的速度, 且传输速度和角度可以进行控制, 轨道传输速度范围一般在 1.2-1.4m/min,轨道倾角一般控制在 5-7°之间,另外, 对于大尺寸 PCB,传输系统还应增加线支撑来预防 PCB 变形。 对于无铅工艺带来的新问题,需要从 PCB 设计、焊剂活性和涂覆量,波峰温度及高度、 导轨倾角等各方面综合考虑,进行调节以实现最优设计,比如从焊盘设计入手,改变形 状和孔径尺寸,如图 31 所示。

3.5 浸焊工艺 浸焊主要用于线材和元件引脚上锡, 也有一部分用于电路板组装工艺, 浸焊相对简 单,无铅化后主要面临 4 个方面的改进。 (1)锡炉温度与无铅波峰焊相似,一般设定为 260-270℃,当然在大热容元件浸焊 时,依据工艺要求可以适当提高设定温度。 (2)焊剂挥发是影响浸焊质量的一个主要问题,醇类载体的焊剂易于挥发导致焊剂密 度增加,既作为活性物质的固体成分百分含量增加,将会导致焊后残留物增加等问题, 因此浸焊工艺一定要严格控制焊剂密度, 建立每天检测一次, 如发现焊剂密度超过规定 指标,则通过添加稀释剂将焊剂密度调整为标准值。 (3)与无铅波峰焊相似,焊料的氧化严重,相当于 SnPb 焊料的 2.4 倍,制造商一般 都配备锡渣重熔装置来提取锡渣中的 80%以上的纯锡再次用于生产。 (4)Cu 污染问题是浸焊面临的一个最严重的挑战,线材及元件引脚的 Cu 材料在浸焊 时溶解在锡槽中产生 Cu6Sn5 金属间化合物,严重影响焊接质量。由于其密度 (8.28g/cm3)比 SnPb 焊料密度(8.80g/cm3)小而比无铅焊料密度(7.5g/cm3)大, 浮于锡槽表面时可以采用"比重法排铜"(190℃/8h)清除,沉于锡槽底部时影响传热, 只有 1 个月定期清理锡炉一次。 3.6 手工焊设备与工艺 3.6.1 电烙铁前端形状

图 32 为电烙铁前端主要的 3 种形状,一般优选(a)。圆锥形接触面小,只使用 于较小的焊接点,螺丝刀形或凿子形接触面宽,传热范围广,使用于较大的焊接点,无 铅焊接用电烙铁优先选用螺丝刀形或凿子形烙铁头, 因为圆锥形烙铁接触点较细, 传热 不完全,稍一接触就会使接触面温度明显上升,温度均匀性差,电烙铁前端大小决定着 热传导效率,尺寸应该已被焊物体相当。

3.6.2 电烙铁功率 一般选用瓦数应为焊剂需要使用瓦数的 2 倍,这样可以迅速地进行热补偿,不会造 成温度下降而带来焊剂不良,无铅焊接一般选择 30-40W,但具体要根据产品特点来 定,用于对热敏感的元件或板块,选用 20-30W,用于印刷线路板装配中,选用 30 -45W,用于较薄的多层板或较大的连接点,选用 60-100W。

3.6.3 电烙铁头部结构 图 33 为电烙铁头部结构图,铜具有高热传导率,铁用来保形和防止铜扩散,镍铬 合金用来防止焊料发生芯吸,焊料合金用来保护和增量润湿性,铁层越厚,电烙铁头抗 腐蚀性强,使用寿命越长,但热传导效率较低。另外,热测温度探头必须离烙铁头近一 些,及时能反应温度变化。

图 34 为电烙铁头部附着物,有铅焊接时焊剂碳化物较多,无铅焊接时锡氧化物较 多,有铅焊丝中焊剂氧化,引起焦黑而造成污染,严重损害烙铁头的品质,阻碍烙铁头 前端温度上升,从而增加了温度损耗,但其附着物主要是焊剂碳化物,用海绵或吹气等 通常的清洗方法即可除去。而使用无铅锡丝时,烙铁头上的残留物主要是锡的氧化物, 镀锡层氧化,锡面被锡的氧化物覆盖,锡丝无法熔化,热量无法传递到焊件上而导致不 吃锡的现象,操作时应该从 3 个方面加以控制:每完成一次焊接操作,必须对烙铁头 进行清洁处理;将烙铁头放回烙铁架时,需用焊料将烙铁头进行覆盖,再次焊接时先去 掉焊料,再开始新的焊接,用于清洁烙铁头的海绵必须经常清洗,确保作业中没有附着 的焊料。

好的恒温电烙铁具有高品质烙铁头和优良的回温性能, 能有效防止拉尖现象, 具有 高效率的新型加热器和压倒性热量传输的烙铁头的构造, 具有和氮气保护和自动待机温 度安全管理功能等功能,即不作业时烙铁头温度自动下降,图 35 为具有氮气保护功能 的电烙铁头。

3.6.4 手工焊工艺 理论上焊接温度高于焊料熔点 30℃左右即可,但手工焊中操作时间短,为了得到 相当的热输入量而提高温度,一般高于熔点 150℃。 有铅焊接温度一般为 315℃, 无铅焊料丝的熔化温度较高, 适当地提高烙铁头的温 度是必要的,但不要一味提升温度,一般最低为 345℃,但具体要根据产品特点来定: 用于对热敏感元件设定为 315℃,电子装配中最长使用 370℃,用于多层板或较大连接 点,设定为 425℃。 实际生产中还要注意不要把无铅锡丝熔点的上升幅度全部转移到烙铁头上, 问题的 关键不在于温度的高低, 而在于要能够以最快的速度传给焊点所需的热量, 因此是否拥 有加热焊件所需的足够热量,烙铁头的形状是否与焊接物相符等成为解决问题的重点。 焊料线径规格的不同,焊接温度的平衡性也会有所差异,一般情况下焊料线径越粗,烙 铁的热量越易被夺取,应尽量选用细丝。对于焊接区的润湿不良,可以通过添加焊剂或 变动烙铁头来进行改善和修正, 也可选择更强活性焊剂的焊丝, 但是焊后注意清洗。 建 议采用恒温电烙铁,这样既保证足够的焊接温度,又不会因电烙铁温度过高损伤元件。 恒温电烙铁要具有很好的回温性能,这一点对于 IC 元件引脚的拖焊非常重要。这是因 为如果回温性能不好,拖焊后面的焊点时,烙铁头温度严重下降易产生拉尖现象。 一般手工焊工序: 准确合适烙铁头→烙铁头接触被焊件→送上焊料丝→焊料丝脱离 焊点→烙铁头脱离焊点。线路板上高可靠性焊接所需时间一般不会超过 3s,无铅手工 焊焊前需先对焊丝进行 3-4s 的预热处理,然后把烙铁头及熔融焊丝一起接触被焊件, 时间在 1.5s 较为适宜,最多不超过 2s,否则高温易损伤被焊件及导线绝缘层,且产生 过热现象导致通孔内铜箔开裂,造成焊点表面粗糙、发黑、不亮和扩展性不好等缺陷。 短时间内完成焊接,快速移走烙铁头还可防止如图 36(b)中拉尖等缺陷,预热时注意 焊丝和烙铁头的接触位置,如图 37 所示,焊丝要与烙铁头最大面积接触,充分吸收热 量,一方面使焊丝快速熔化,另一方面使烙铁头起到良好保护。

4 返修与清洗工艺 4.1 返修工艺 正确的返修应该注意以下几点:正确选择焊膏、焊剂、焊丝等材料;选择适当的返 修设备和工具,正确使用返修设备和工具,正确设置焊接参数,手工补焊时所用的烙铁 温度应该有所提高,但要注意焊接时间的掌握,防止元件因焊接温度过高、焊接时间较 长而造成失效。 无铅焊料熔点高、流动性差,所以无铅化产品返修需对电烙铁操作人 员进行培训, 严格按照上述手工焊工艺操作, 操作人员还要能识别无铅烙铁及其工作站, 对无铅和有铅操作区进行隔离,带防静电腕带,用防静电恒温电烙铁,电烙铁头形状选 择要根据元件引脚形状变化而变化,比如扁铲式、马蹄式、双片扁铲式和四方形等,烙 铁头要保持光滑、无钩、无刺,不得重触焊盘,不得长时间一点加热,不得划破焊盘及 导线,不允许用电烙铁直接加热 Chip 元件焊端和引脚根上部。焊接过程中不要施加过 大的压力来弥补润湿不足,否则会造成烙铁头变形,应采用接触式方法,及时清理烙铁 头黑色表面氧化物或锈渍, 否则不易上锡。 清理时使用浸湿后又挤干的海绵清洁烙铁头, 如用未经润湿的海绵清洁易使烙铁头表面的镀锡层剥落而导致不上锡。 无铅化产品要 保证焊剂和焊料与焊接时一致或匹配, 特别要防止焊料污染。 无铅化产品主要返修材料 为 SnAg 合金,其可加工成焊丝,更不会出现金属间化合物问题,且有效防止金属间化 合物引起的硕砾状颗粒。 4.2 清洗工艺 焊后焊剂残余物在潮湿环境和一定电压下, 导电体之间可能会发生电化学反应, 引 起表面绝缘电阻(SIR)的下降,如果有枝状结晶生长和电迁移发生,将发生导线间漏 电和短路的出现,需对不同焊剂性能进行评估。 无铅焊膏工艺发生了一定的变化,对产品质量的影响见表 9。根据焊剂本身清洗特性, 由易到难的次序一般为免清洗软残余→水溶性焊剂→免清洗硬残余。 对应不同性质的焊

剂需使用与之匹配的清洗剂进行清洗, 包括溶剂性清洗剂、 水基不含活性清洗剂和水性 碱基活性剂表面清洗剂。焊膏清洗一般使用中性 pH 值的清洗剂,焊后清洗一般选用碱 性清洗剂。 具体的清洗工艺要根据实际的组装工艺制定, 比如是惰性气体保护免清洗工 艺,可靠性要求不高,就可以不用清洗,否则就需要进行相应的清洗。

Umut Tosun 对无铅模板和误印进行清洗,完成后在 40 倍显微镜下,利用微分干涉差 检查模板和误印,用偏振光源检查污染,用洁净度测量方法检查基板上残留。结果发现 可以继续使用现存的清洗工艺,不需要做重大的改变。基于溶剂和水的清洗剂,清洗工 艺不需做其他处理, 但对于活化剂的清洗剂, 由于活化剂的不同会造成表面活化剂和要 清洗的残留物之间的化学不匹配,需要做一些测试。 5 质量管理 5.1 物料管理 对于生产现场, 面临无铅生产的物料管理, 目前许多子制造厂一方面继续有铅产品 的组装,另一方面实施无铅制程导入,在短期内就面临管理的两种系列物料,运行两种 不同工艺,很容易导致原物料的混淆,一个很小的疏忽将会导致严重的后果。除了 Pb 对环境的污染外,对生产也有很多的影响,Pb 与 Bi 元素会形成低熔共晶。预防铅污染 的主要措施有: 所有物料符合标准并且严格按照物料编号区分; 专用线体进行无铅生产, 无铅的物料、半成品和成品完全隔离区分,有铅生产线转无铅生产要符合以上要求,并 严格清理并作记录确认。 成功的无铅转换需要工程设计、 生产、 采购和元件供应商与分销商之间积极协作和 努力, 针对绿色供应链管理, 公司的采购部可以建立初步的供应商数据库并做出相应的 产品分类。一般来说,分为电子类、机械类、辅助物料 3 大类,电子类中可进一步分 为电路板、电阻、电容、电感、二三极管、集成电路等;机械类细分为塑料件、金属件、 包装用品等;辅助物料的部分包括化学品、标签、胶带等杂物。考虑到物料和工艺的兼 容性问题, 避免有铅元件和无铅元件及其他物料混合在一起, 需从技术文档、 工艺规程、 元件编码、仓库管理、返修处理和产品记录跟踪方面努力制定管理无铅转换的路线图。 并把他们不同的客户需求纳入考虑范围,国际著名企业 DELL 公司无铅化组装生产评 审内容主要包括质量体系(13%)、合同审查(3%)、设计控制(10%)、文件控制 (9%)、供应商质量控制(10%)、产品标识及标签的可追溯性(3%)、工序控制 (12%),检查与测试(8%)、校准(6%)、非一致性产品控制(13%)、搬运、 包装、储存、交货(8%)、质量记录(6%)等。

5.2 生产管理 无铅制造过程中出现的许多问题主要原因是材料的标识是非标准的、 缺乏材料跟踪 的方法和系统以及过度的人为干涉。 为了更好地管理生产现场,区分有铅与无铅物料,就需从 PCB、元件、焊膏、焊条、 焊丝、 模板能方面考虑, 目前主要问题放在发布识别无铅元件和成品组件的行业标准上, IPC-1066 已对无铅元件和组装板给出了标识,但对于物料编号上还没有明确的规定, 元件采购主要依赖于零部件编号, 这是识别元件的重要方面。 但元件和物料的标签并无 统一的行业标准,每个厂商都有自己的标签格式,包括部件编号、批次编号、日期代码 和数量。有些厂商编号有限,可以提供自身制定的条形码格式,而许多组装厂在接受并 配套每批物料时, 必须建立自己的条形码标签, 因此需要为每个项目赋于一个独特的序 号, 这样赋于制定项目的所有物料和工艺信息都可以在中央数据库中保留和更新, NEMI 和一些团体及用户赞同采用新的零部件标号加以识别,如图 38,新的编号可能在原有 编号或增加前后缀;湿敏元件等级会因有铅和无铅而制定 2 种等级,这都增加了标签 信息的复杂程度,通过区分含铅与无铅元件,简化无铅工艺管理,从而确保将正确的元 件应用于正确的工艺,并提供生产后的可追溯性达至 RoHS 指令的要求。

车间里频繁的生产变更可能是产品版本的变更,如新的 BOM,也可能是生产物料 的更换,如不同的供应商批次或代替的物料,这些工艺和物料的变更事件捕捉,对实现 精确的生产后追溯至关重要。整机制造商和电子制造服务商必须识别有铅和无铅产品, 进行工艺变更跟踪, 必须提供文件证明产品是按照新的规定制作的, 识别有铅和无铅产 品可应用条码标签或无线射频(RFID)标签来识别。条形码标签贴在材料和工具上, 可以有手提式扫描器或固定在设备上的扫描器扫描标签, 确认是否正确, 跟踪材料而实 现极度详细的可追溯性。另外,跟踪记录缺陷和维修历史可以发现可能的根本原因,特 别是由于某一特定供应商或生产批次导致的缺陷, 通过提供综合的组装板生产历史, 包 括测试结果以及采取了哪些维修步骤, 例如更换元件和操作人员活动, 从而发现产品和 工艺缺陷的根本原因,此外,为了确保在环境与安全性符合方面满足可追溯性要求,记 录所有的维修事件至关重要。例如确保在返修时只使用无铅元件是声明符合 RoHS 的 条件之一。 在材料改变位置时可以对材料进行跟踪, 是一种节省成本的办法, 但是需要人的干 预,而且不能完全消除差错。将 RFID 标签固定在所需要识别、跟踪、显示位置和控制 各种材料和工具上,然后将读出 RFID 标签的天线安装在需要跟踪的材料位置上,并且 确认设置的正确性,可以防止差错,提供闭路确认,完全实现跟踪自动化。图 39 为工 艺流程自动化记录示意图, 通过读取产品编码来进行记录保存所有的变更管理事件, 提 供一套真正准确的可追溯性解决方案。

5.3 PDCA 循环质量管理 PDCA 循环是美国质量管理专家戴明提出来的,又称"戴明环"。PDCA 是质量管理 的基本方法, 是有效进行任何一项工作的合乎逻辑的工作程序, 失败的教训加以总结以 免重现,未解决的问题放到下一个 PDCA 循环,PDCA 即计划(P)、执行(D)、检 查(C)和运行(A),先确定方针、目标和活动计划,然后实地去做以实现计划中的 内容。最后对总结检查的结果进行处理,成功的经验加以肯定并适当推广、标准化。 无铅工艺作为一种新的技术, 在不断的完善和发展, 所以要求持续使用一种标准改进模 式来实施新的发展, 比如一种新的焊剂将引入到工艺中, 跟随的步骤是计划一个试验来 找出是否该焊剂将改进品质、降低成本或达到已经选定的另一个目标。运行该试验,分 析试验的输出和判断是否该焊剂满足期望;在工艺中使用该焊剂,保持观察品质。 新 实施之后,工艺必须持续地控制、改进和重新设计以节约成本和增强竞争性,质量跟踪 对新工艺的实施尤为重要,他能反应新工艺中的所有信息,如人、机、料、法和环境, 找出解决问题的方法以备下次改进。 5.4 材料匹配 目前在无铅化制程导入时,由于组装材料的不同时性,存在着 3 种匹配问题,即 正匹配,负匹配和完全匹配,见表 10 和图 40。

正匹配存在明显的问题是 BGA 内部出现空洞缺陷,产生原因是由于无铅焊膏的熔点高 于 BGA 焊球熔点,焊球熔化之后包裹了大量焊剂而产生气孔,如图 41 所示,如果形 成小的弥散气孔,将有助于提高可靠性达到 16%-24%,如果形成集中的空洞,将导

致焊点过早失效,负匹配如果采用有铅焊料温度曲线,导致无铅镀层不熔化,出现分层 等现象,会大大降低焊点质量。

正匹配或负匹配时,如果间含量较高(20%),其则会以共晶相出现,退化过程同其 他共晶相一样;如果铅含量在 2%-5%,其则会发生偏析,以大颗粒相出现,凝固在 锡枝状晶粒的晶界之间,明显降低无铅焊点的机械疲劳寿命,但不会差于 SnPb 焊点, 当锡晶开始重结晶及长大时, 受到其边界上的铅势井组织, 裂纹就从锡晶与铅相的边界 最薄弱处萌生扩展,无铅化电子组装中要严格控制焊点中铅含量小于 0.05%,此外当 铅含量低于 4%时,铋和铅会形成 93℃的低熔共晶,影响产品可靠性,故镀 SnBi 元件 只能用在无铅焊料中。 负匹配时,采用 SnPb 合金温度曲线不能熔化元件无铅镀层材料,焊点可靠性最差。虽 然可以通过提高温度来实现无铅元件镀层材料得熔化, 但是容易引起焊点内 Pb 的不均 匀性,产生可靠性问题。 5.5 工艺研究 无铅组装使用前需对组装物料进行检查,确认是否变形、氧化和吸潮,如果 PCB 吸潮,在高温焊接时就会变形或起泡;元件吸潮,高高温焊接时就会出现分层和裂纹等 缺陷,故须在组装前对 PCB 和元件进行烘烤。 无铅化再流焊影响因素很多,通过 DOE 实验设计,可以进行工艺参数优化,常以 信噪比 S/N 来表示质量随参数变化的稳定性, 42 为焊接后润湿性与各种影响因素之 图 间 S/N 关系图,结果发现:对无铅焊膏润湿性影响由大到小的因素为氮气含量、焊膏 种类、峰值温度、传输速度、印刷速度、液相线以上时间,再流焊中的氮气浓度是生产 高质量无铅化产品最重要的因素, 使用高惰性环境可以使影响无铅焊点质量的各种因素 产生的变化最小,此外使用 OSP 材料和免清洗(低活性高固体含量)焊膏时需配合氮 气使用,焊膏中焊剂活性次序为水溶性>免清洗(中等活性高固体含量)>免清洗(中 等活性低固体含量)>免清洗(低活性高固体含量)>免清洗(低活性高固体含量)≈ 相似于无 VOC。在选用焊膏时需要一个折中的方法,既要考虑具有良好的润湿性,又 要考虑焊后残余不会产生电化学迁移或枝晶生长。(注:S/N=10×Log (Yaverage/average),Yaverage 是对运行响应的平均值,average 是对运行响应的 标准偏移量)

无铅波峰焊中常使用 SAC 和 SnCu2 种焊料,SAC 成本高,但可以采用低的焊接温 度和低 Tg 为的 PCB,SnCu 成本低,但需要采用高的焊接温度和高 Tg 和 PCB。为了 避免桥连产生,在 PCB 焊盘设计时应进行适当的更改,比如缩小孔径和焊盘,对称焊 盘方向垂直与 PCB 运行方向等,如图 43 所示。

5.6 常见问题解答 (1)RoHS 是否要求贴装无铅标签:无。 (2)SnCu 和 SAC 焊料是否可以用于同一焊料槽:不可以。 (3)SnCu 和 SAC 焊料是否可以使用同一种焊剂? 一般推荐专用焊剂,如果焊剂化学成分设计适当,可以使用同一种焊剂。 (4)怎样解决 Pb 的污染问题? 纯净无铅焊料 Pb 含量一般在 0.02%-0.05%之间,RoHS 指令要求 Pb 含量低于 0.1 %,当 Pb 含量超标之后,可以通过稀释和更换方式,但稀释一般不采用。 (5)怎样识别无铅符号和标记? 识别无铅焊料:无铅一般为三角形,有铅一般为梯形; 识别无铅锡渣箱:无铅一般为白色,有铅一般为红色。 培养采购和工艺人员辨认供应商有铅和无铅产品,可以参考 IPC-1066 或 JEDEC97。

(6)降低被焊件的浸析度 焊端出现变色现象,比如镀层一般呈灰色,再流后其色泽可能变为暗淡或光亮,有时也 呈现黄色。浸析度严重会引起反润湿现象,并导致更厚的 IMC,产生脆裂现象,解决 措施为减少工艺接触时间和降低焊接温度。 5.7 新标准制定 无铅制程的导入致使相应的标准也进行了修改,比如 IPC 和 J-STD-001D 已重 新修订。 由于无铅焊点的表面状况没有有铅焊点的理想, 须对相应的检验标准进行升级, 图 44 给出了无铅焊料合金颗粒及焊点外观。

对于无铅工艺,在试生产过程中,需总结出自己企业标准并进行验证,然后贯彻实施, 另外还需相关部门针对无铅工艺的具体实施情况进行标准化, 使无铅焊接使用过程中做 到有法可依。 5.8 有毒有害物质检测 法令规定方面,不同国家和地区有不同的要求,美国虽有无铅方面的法令,但对电 子产品是豁免的;日本虽没有无铅方面的法令,但通过饮用水质量标准含铅量、废弃物 处理法律和家用电器可回收法律等影响电子产品中铅的使用; 欧盟颁布了废气电子电器 设备指令(WEEE)和对有害物质限制指令(RoHS),明确限制铅的使用范围和含量: 不锈钢中小于 0.35%,铝合金中小于 0.4%,铜合金中小于 4%,焊料中小于 1×10- 3 或介于 1×10-3-2×10-3(IPC)之间,我国信息产业部、国家发改委、商务部、 海关总署、工商总局、质检总局、环保总局共同起草的《电子信息产品污染防治管理办 法》在 2005 年底向 WTO/TBT 通报工作已完成,该标准也被称为电子产品的环保"绿 卡"。中兴通讯于 2005 年 12 月底正式推出了国产第一批"无铅手机",并通过相关部门 测试出口英国。

铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯(PBB)、多溴二苯醚(PBDE)等 6 种有害物质代替 技术和相关检测技术,主要内容涉及:无铅焊料,无铅铜合金、无镉触头物料,无镉弹 性物料,无卤阻燃剂,无卤塑料(包括塑料外壳、电缆、电线、油漆类、以及绝缘用塑 料)、无卤无铅电子元件封装,可循环使用塑料等,与其相关的工作已成为目前国内的 热点问题,不仅受到社会各界的高度重视,而且得到政府部门、生产企业和专业检测机 构的广泛参与。表 11 为目前较公认的对 6 种受控物质控制范围的汇总结果。

目前一些检测机构,如 SGS,Intertek,CTI、各区市出入境检验检疫局工业品检 测技术中心和标准技术研究院质量检验中心等,其服务涉及电镀产品(引线、管壳、基 座等)油墨、扬声器、塑料、金属合金、环氧塑封料、包装物料、硅胶、线圈固定胶、 电子焊接物料和树脂等产品中有毒有害服务检测。 最近国家检验局和国家认监联合发布 国际上首批针对欧盟 RoHS 指令的 6 项检测方法标准,针对 6 种受限物质,分别采用 原子荧光光谱法、 火焰原子吸收光谱法、 二苯碳酰二肼分光光度法、 射线荧光光谱法、 X HPLC 法和 GC-MS 法。 根据部门产品检测的结果可以看出, 原物料及现有的加工工艺都是有毒有害物质控 制的关键环节,尤其是将受检样品拆分到最小单元时,部分重金属含量偏高,详细结果 列于表 12,主要存在的问题为:(1)镀件产品涂层中铅和六价铬含量偏高,主要原因 是电镀工艺中有铅/铬存在,因此很难保证涂层上做到无铅化;(2)无铅焊料中铅含量 偏高,主要原因是原料铅含量超标和加工过程交叉污染所致;(3)金属合金中镉含量 过高,主要是原物料中镉的含量超标;(4)塑封料中存在有毒有害物质。此外,油墨 及包装物料中有毒有害物质基本达到要求。 6 成本估算 当改进无铅制造能够达到提高生产成品率、 保证产品可靠性时, 明显的前端费用就 可能得到补偿。在对成本进行总体评价时,要考虑总的产权成本,具体包括:每单位重 量的焊接材料费用;工艺运作费用;元件和印刷电路板的成本,设备成本;缺陷率增加 引起产品性能和可靠性下降,进行返工时需要的时间和工作量,对无铅材料进行跟踪, 并进行分离所浪费资源和时间,生产线上用错材料造成的成本损失等。

6.1 PCB 板材 板材必须用较高玻璃态转化温度来经受较高的工艺温度。 这些新的板材以及无铅表 面涂层,将影响产品成本价格,现在还不清楚这些价格将增加多少,因此多数电路板供 应商还在优化板材的选择与其制造工艺。 6.2 元件 对于许多元件,改变引脚的表面涂层将不是一个主要问题,因为技术是现成的,这 些元件的价格预计不会大幅地增加,对于周边封装的代替引脚表面涂层正在研究之中, 可靠性和锡须问题必须解决。 使用一种具有高精度的再流焊接炉来运行无铅温度曲线。满足较便宜的元件的规 格。如果能将最高峰值温度限制在 245℃,那么对于用户可以得到元件成本的减少,否 则需要设备一种经受较高温度(如 280℃)塑料,这将会把价格提高。 6.3 焊料 表 13 为无铅焊料的价格成本,但是由于有铅合金和无铅合金的密度不同,实际生 产成本会比价格成本低一些。如表 14 所示。

6.4 焊剂 水基焊剂虽然更贵,但设备维护减少了,清洁机器的零部件会较容易,可以用热水 而不是化学品和仪器来完成,另外可焊性得到提高,返工的数量将减少,特别是对于板 上的残留物和可焊性, 水基焊剂有更好的优势, 在焊剂中的活性剂和化学物质水中比在 醇类中反应更有化学活性, 用于焊接的量将减少, 使用这些焊剂的总成本大约相同的或 甚至更少。 值得注意的是,焊球数量随着无 VOC 焊剂的使用而增加,其部分原因是工艺中较 高的温度使得阻焊剂软化,但与这些焊球更容易清除。 6.5 氮气 再流焊中,氮气可以提高润湿性,得到较好的焊接可靠性,但会增加成本,具体价 格因地区和市场不同而不同,是否使用还与劳动力价格对比,此外,对于使用氮气工艺 也有其自己特有的问题与挑战, 设备选择方面应该考虑具备空气和氮气中运行, 但基于 成本的考虑应避免氮气的使用。 波峰焊中,无铅焊料氧化迅速,最常见的氧化物是锡氧化物(SnO 和 SnO2)。 一方面通过减少喷波高度减少氧化渣的数量, 另一方面可通过氮气的使用减少氧化渣的 数量。由于氧化物只是锡渣中的一小部分,锡渣应该压缩回收,从氧化渣中分离出锡金 属。 6.6 能量消耗 再流焊接工艺中,升高预热温度和焊接温度,延长工艺时间和选用快速冷却系统, 相关报道显示,能量消耗增加可达 18%之多,具体情况取决于温度曲线工艺设定参数 使设备性能,表 15 为典型的有铅与无铅温度曲线特征参数。表 16 为 Marc Apell 等人 对 OmniExcel7 再流焊系统进行的不同条件下有铅和无铅再流焊系统能源消耗对比, 各 自的能量消耗大多都增加 10%以上。

有关研究表明:波峰焊接工艺中,升高的预热温度和焊接温度,增加的预热时间和 无 VOC 水基免清洗焊剂的使用,能量消耗增加 25%之多。 7 结论 无铅制程的导入设计众多方面的因素,包括材料、工艺和生产等,在实际操作过程 中也会出现许多产品质量问题,目前大多数技术已经相当成熟,比如生产设备的设计, 工艺参数的改进等等, 但是还有一些焊接质量问题没有得到很好的解决, 比如黑盘和晶 须现象, 另外还有无铅焊料和焊盘界面化合物对可靠性的影响都没有成熟的工艺, 有待 进一步解决。总的来讲,只要做到生产中每一个环节的质量,无铅化生产是可行的。


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