無(wú)鉛轉換的加速進(jìn)程與SMT的問(wèn)題

半導體和電子制造商目前都必須面對一個(gè)環(huán)境保護問(wèn)題，即如何符合歐共體頒布的兩個(gè)管理規定，《電子電氣設備廢棄物(WEEE)》和《有害物質(zhì)的限制法案(RoHS)》。

　　電子工業(yè)正面臨環(huán)境保護的挑戰，不僅電子產(chǎn)品需要是環(huán)保的，電子制造的過(guò)程也必須滿(mǎn)足環(huán)境友好的 要求。歐共體頒布的二個(gè)用于環(huán)境保護的管理規定，即《電子電氣設備廢棄物(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(guò)程中的使用，必須在2006年7月1號之前得到管理。半導體和電子制造商都必須對此采取相應措施。

　　幾乎所有電子電氣產(chǎn)品都是將半導體器件焊在印制板上。這些產(chǎn)品達到使用壽命報廢后，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、電氣和機械性能良好的特性，多年來(lái)一直被廣泛用于電氣連接。然而，近年來(lái)由于環(huán)境污染，酸雨開(kāi)始與填埋的鉛廢 料發(fā)生化學(xué)反應，酸雨將鉛轉化成很易溶于水的離子化合物，污染水源。無(wú)鉛焊料和焊接工藝的研發(fā)因此成為重要的環(huán)境問(wèn)題。

　　雖然美國迄今還沒(méi)有類(lèi)似的立法規定，但歐州要求在半導體和電子設備中減少鉛的使用，并規定在2006年7月1日完全實(shí)行無(wú)鉛裝配。這將會(huì )對全球市場(chǎng)產(chǎn)生廣泛影響。在過(guò)渡期間，全球的供應商必須選擇，是否完全從 有鉛轉換至無(wú)鉛生產(chǎn)，還是使用有鉛和無(wú)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)行細仔的跟蹤。為了減少混合生產(chǎn)模式中供應商和客戶(hù)長(cháng)期面臨的供應鏈風(fēng)險，同時(shí)也為盡快轉換到生產(chǎn)環(huán)保產(chǎn)品，Toshiba建議工業(yè)界縮短此過(guò)渡期，在2004年完成從有鉛到無(wú)鉛組裝的轉換。

　　為縮短向無(wú)鉛轉換的時(shí)間，OEM、合同制造商(CM)和半導體供應商需要緊密合作。業(yè)界對各個(gè)環(huán)節的支持以及承擔的義務(wù)，是有效實(shí)現無(wú)鉛、開(kāi)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(wèn)題，以下綜述了與無(wú)鉛化轉換有關(guān)的商業(yè)和技術(shù)問(wèn)題。

　　技術(shù)問(wèn)題

　　雖然離歐盟建議的管理規定的實(shí)施還有近三年的限期，電子元器件制造商、消費類(lèi)電子產(chǎn)品公司、學(xué)院 和其他組織都已經(jīng)對無(wú)鉛制造做了細致深入研究。然而仍有大量有待予以解決的技術(shù)問(wèn)題，會(huì )影響供應商和客戶(hù)。首先，無(wú)鉛的標準還沒(méi)有制定;其次，質(zhì)量和可靠 性測試還待標準化;另外，在某些情況下，元件很難做到應有的“前向兼容性” 和“后向兼容性”(backward and forward compatible)。在客戶(hù)方面，因為新合金的鑒定需要較長(cháng)時(shí)間，生產(chǎn)可能會(huì )被 延遲;對現有設備的改造與性能提升，也會(huì )延遲生產(chǎn)。為更有效地轉換至無(wú)鉛制造，半導體制造商、OEM客戶(hù)、EMS合同制造商、以及供應商，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(wèn)題。

　　設計問(wèn)題

　　順利轉換至無(wú)鉛制造需要一定時(shí)間，工業(yè)界最好現在就開(kāi)始設計無(wú)鉛產(chǎn)品。新產(chǎn)品的測試、鑒定、以及 諸多供應鏈問(wèn)題，牽涉到業(yè)界的很多部門(mén)，設計完成之后這些問(wèn)題需要占用很多的時(shí)間。

　　無(wú)鉛的定義

　　迄今為止，無(wú)鉛封裝的定義還未被正式確定。對于引線(xiàn)涂層和BGA焊球，歐盟規定的無(wú)鉛閾值為Pb1000ppm;JEIDA也定為Pb1000ppm。JEDEC最初建議使用pb2000ppm，但最近JEDEC決定將不為無(wú)鉛設定一個(gè)ppm值。由于合同制造商和EMS分處全球各地，無(wú)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雜。歐盟管理規則的正式推出，使全球使用一個(gè)無(wú)鉛定義標準成為可 能。

　　質(zhì)量和可靠性標準

　　現有的IPC工藝標準適用于有鉛產(chǎn)品?，F在的SnPb合金己使用幾十年，IPC標準為產(chǎn)品定義了最低的驗收標準，客戶(hù)和供應商使用此標準來(lái)作接收和拒收的決定。采用無(wú)鉛合金時(shí)，為避免錯誤地解釋產(chǎn)品的接收標準，需要建立一個(gè)新的標準?；亓骱负蟾鞣N無(wú)鉛焊點(diǎn)的目視外觀(guān)問(wèn)題，就是一個(gè)能說(shuō)明此問(wèn)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 )是未接受培訓的檢驗員產(chǎn)生疑惑。另外，待建立的質(zhì)量標準，還應該易于SMT生產(chǎn)線(xiàn)上操作員和檢驗員的培訓。缺乏可用以判斷工藝問(wèn)題的標準，可能會(huì )導致代價(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。雖然己有很多獨立研究的報告，業(yè)界目前仍沒(méi)有錫須試驗的標準程 序。最近IPC/JEDEC在臺灣省召開(kāi)的無(wú)鉛國際會(huì )議上，就有幾個(gè)公司發(fā)表了使用不同測 試方法對錫須生長(cháng)進(jìn)行研究的報告。實(shí)驗結果表明進(jìn)行標準化非常重要　　無(wú)鉛的可焊性測試和焊料可靠性測試也待標準化。如有全球接收的測試方法，無(wú)鉛元件的鑒定時(shí)間將會(huì )縮短，重復測試可以減少，從而降低客戶(hù)和供應商的成本。圖一是Toshiba對SnPb和預涂覆鈀Pd PPF(pre-plating-frame)試件的濕潤性和焊點(diǎn)拉伸試驗結果，可以看出，SnPb和SnAgCu焊料對SnAg涂層和Pd PPF引線(xiàn)涂層的濕潤性，與這些焊料對SnPb涂層濕潤性是相近的。

　　Toshiba也對焊在PCB上的器件做了焊點(diǎn)拉伸強度試驗。實(shí)驗結果顯示這些無(wú)鉛涂層的引線(xiàn)拉伸強度與傳統SnPb涂層引線(xiàn)拉伸強度在同一水平上。SnAg和Pd PPF焊點(diǎn)的強度試驗，顯示它們的強度可靠性是滿(mǎn)意的。

　　后向兼容性和前向兼容性

　　向無(wú)鉛制造的過(guò)渡不可能在一夜間就完成，SMT組裝線(xiàn)可能使用雙模式制造線(xiàn)，即在生產(chǎn)中同時(shí)采用有鉛和無(wú)鉛的材料進(jìn)行組裝。這包括無(wú)鉛工藝中使用有 鉛元件——有鉛元件能否用于無(wú)鉛工藝稱(chēng)為前向兼容性(forward compatible),或在有鉛工藝組裝中使用無(wú)鉛元件——這稱(chēng)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)。大多數含鉛產(chǎn)品的最高回流溫度都控制在240℃，而根據JEDEC J-STD-020B，無(wú)鉛焊回流的峰值為240℃-250℃。半導體供應商必須根據J-STD-020B重新界定其元器件的濕敏感度(MSL)。新的規范設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(wú)鉛產(chǎn)品的溫度曲線(xiàn)。