在制造环境中实施RoHS

随着2006年7月1日RoHS实施时间限日期的日益临近，越来越多的电子制造商不得不着手进行无铅工艺评估，同时实际开始制造符合指令要求的，不含禁止物质的产品。

制造工艺的无铅是主要技术挑战之一，业界对这方面已有许多研究成果，但要注意，电子组件也不能含有法令要求的镉、汞、六价铬、PBB和PBDE。如图1所示，所涉及到问题包括：技术挑战如工艺更改、可靠性；到供应链挑战，如元器件符合跟踪、同一器件的符合和非符合版本的物料管理、避免大量废弃/非符合元器件的库存而造成影响。

然而，停留在技术试验和决定如何管理供应链问题上还不够，目前必须要考虑如何进行无铅设计/制造切换，以及量产制造切换工作。



技术挑战

实施无铅量产制造的第一步，就是要了解组装工艺和所使用元器件的变化。目前业界主流的无铅焊料是SAC（锡?银?铜）合金，主要是SAC305（3%银，0.5%铜）和SAC405（4%银，0.5%铜）。两种合金的熔点都是217℃，与共晶锡铅焊料的183℃相比，其熔点明显提高，所以组装工艺必须变化；同样，印制板层压材料和元器件材料体系也需要变化，图2表示了一个典型的组件如果切换满足RoHS，可能会影响到的相应材料体系。





为了确定需要对组装工艺进行哪些变化的第一步，我们设计了一块试验板，如图3所示，试验板是为了模拟一款中等复杂的产品，板上有15种不同类型的通用元器件。板上有SMT元器件，如各种面阵列封装、QFP和分立元件；有通孔元件，如PDIP和通孔连接器，以进行SMT组装工艺、波峰焊工艺和返修工艺的试验和评估。试验板使用了三种不同的无铅表面处理方式（OSP、ENIG和IMAG），以评估它们在新工艺中的表现。

对于无铅组装工艺，iNEMI推荐的焊膏和波峰焊的焊料棒都采用SAC合金。手工返修采用锡银焊锡丝。试验板在已有的设备上加工，以评估无铅组装工艺下现有设备的能力并确定其工艺窗口。首先进行试验板的SMT加工。在印刷工序，预先缩小了一些元器件类型的钢网开口，在印刷工艺上不需要什么变化，此次评估所用的无铅焊膏与常规使用的锡铅焊膏的印刷性能上大体一致，印刷效果良好，基本没有坍塌。

如预期的那样，贴片工艺区别也很小，不会对无铅切换造成影响。在有些情况下，有些面阵列封装焊球和基板之间对比度较低，这时需要调整元器件识别设置参数。

试验板在10个温区的回流炉、空气环境下进行回流。虽然需要稍微降低一些链速，回流炉是能够达到并保持温区设置，同时得到符合焊膏供应商推荐的回流曲线。有一些试验板是在氮气环境下回流加工的，与在空气环境下回流结果相比，其焊点的外观更好。此外，回流后分立元件的墓碑发生概率增大，这主要是由于无铅焊料的表面张力更高。

回流后，对组件的通孔元器件进行波峰焊，底面表贴元件已施胶固定，在施胶过波峰焊工艺中所用的SMT固定胶与常规锡铅工艺中所使用的一样。试验板分批进行波峰焊，一些使用水溶性发泡助焊剂，其它的使用免清洗喷涂助焊剂。胶和施胶工艺表现良好，不需进行任何更改。然而，试验发现波峰焊工艺窗口非常窄，使用水溶性助焊剂的波峰焊直通率要比使用免清洗助焊剂的要好得多。特别要注意的是，使用免清洗助焊剂焊接OSP表面处理单板的通孔填充效果很差。有必要对无铅波峰焊助焊剂进行改进。

使用烙铁对缺陷焊点进行了手工返修。在手工返修工艺中使用了氮气保护，以提高已经经过几次高温的待焊接表面的润湿性，试验证明这可以改善焊点。一般地，粘性助焊剂要比液体手工返修助焊剂的效果要好，同时水溶性助焊剂的润湿性要比免清洗助焊剂要好。

早期的研究表明，已有的设备体系可以用于无铅组装批量制造，同时它也是进行无铅辅料体系评估和组装基本工艺参数评估的基础，它也可以帮助识别工艺情况，如波峰焊和返修就需要进行进一步试验开发，以提高其工艺能力。

在RIA试验板上，我们发现一个意料之外的结果，那就是所用标准的层压材料不适用于无铅工艺，我们预料并观察到PCB会产生变色，但同时我们在许多试验板上发现有分层现象。这一结果需要开展进一步的试验来评估无铅组装中各种通用层压材料的适应性，并确认哪些材料可以用于高性能组件（其要求的回流温度最高），哪些可以用于低复杂度组件，或哪些不适合无铅组装。

基于这一块试验板的试验结果，我们设计了RIA2试验板（如图4所示）。试验板比原来的RIA试验板更厚，板上的器件种类更多，其层压材料的耐无铅焊接高温性能更好，层压材料的厚度也有所增加。试验的目的是想用这一更厚、更有难度的单板，进一步试验优化组装、返修和波峰焊工艺。另外，试验板将用于在足够的统计样本基础上，进行具体工艺参数分析，同时对组装好的单板进行可靠性试验，以得到相关数据。可靠性数据是确认无铅组装工艺的关键依据，也可评估各种工艺参数对可靠性的影响。同时，也对在锡铅工艺中使用无铅器件的效果进行了评估。

除了进行上述目的的试验外，也启动了解决其它工艺问题和元器件类型的相关项目研究，如无铅FCBGA和新辅料体系的评估。