IC 供應商幫助客戶(hù)實(shí)現產(chǎn)品綠化

摘要： IC供應商可建立全面和具有前瞻性的策略，協(xié)助客戶(hù)制造符合 RoHS 嚴厲要求的產(chǎn)品，以建立環(huán)保規范的競爭價(jià)值

關(guān)鍵詞： Pb；RoHS；無(wú)鉛封裝

如果只看一個(gè) IC，很難想象它會(huì )對環(huán)境造成嚴重的威脅，但是在日益增長(cháng)的重金屬環(huán)境污染危害中，每年由數千家廠(chǎng)商制造的數以千億的 IC扮演了非常關(guān)鍵的角色，特別是環(huán)境中的鉛(Pb)。雖然單個(gè) IC 造成的有毒廢棄物的問(wèn)題很小，但是大量累積的各種芯片和系統就會(huì )產(chǎn)生大問(wèn)題。

根據業(yè)界估計，今天垃圾中 40% 的Pb來(lái)自消費電子產(chǎn)品。分析師估計，僅在美國每年就丟棄約 5 千萬(wàn)臺計算機，相當于 2 萬(wàn)多噸廢棄物。同時(shí)，美國人每年還丟棄 1.3 億多部手機，相當于多制造了 6.5 萬(wàn)噸廢棄材料。

使用過(guò)的電子產(chǎn)品的低回收率，以及新一代產(chǎn)品生命周期的迅速縮短使問(wèn)題更加惡化。業(yè)界專(zhuān)家估計，目前電視的使用壽命不到十年，而計算機只有三年?；谏鲜鲒厔?，美國環(huán)境保護局(EPA)預計，美國垃圾掩埋中電子產(chǎn)品廢棄物的數量將在今后數年間增長(cháng)四倍之多。

歷史上，Pb因其所具有的卓越電子及機械特性被廣泛用于半導體封裝及電路板。Pb或含Pb合金被大量用在焊錫中，用來(lái)將 IC 及元件焊接在印刷電路板上。在電氣互連功能方面，Pb也經(jīng)常是金屬中的首選，用于引線(xiàn)框封裝的引線(xiàn)，以及球柵陣列(BGA)封裝及電路板本身。當電子設備被丟進(jìn)垃圾時(shí)，經(jīng)常暴露于酸雨中。當雨水流過(guò)這些廢棄物時(shí)，Pb物質(zhì)也隨之流入地下水、河流，最終污染水源。

長(cháng)期以來(lái)，Pb的使用及其對環(huán)境的影響倍受關(guān)注。數十年來(lái)，環(huán)保主義者不斷警告金屬對于人體健康的影響，因此在1970 和1980 年代，美國及其他許多國家的建筑規范早已規定不得使用含Pb涂料。但是電子產(chǎn)品廢棄物數量的快速增加卻帶給該問(wèn)題新的緊迫性。

最近的禁止電子產(chǎn)品制造使用Pb的活動(dòng)開(kāi)始于1990 年代后期。為試圖解決這個(gè)日益嚴重的環(huán)保問(wèn)題，歐盟于 2003 年發(fā)布了《關(guān)于限制在電子電器設備中使用某些有害成分(RoHS)》的指令。該指令于 2006 年 7 月開(kāi)始生效，RoHS 指令嚴格限制在歐洲市場(chǎng)上銷(xiāo)售的電子產(chǎn)品中Pb、汞(Hg)及鎘(Cd)的使用。為促進(jìn)新規范的實(shí)施，歐盟同時(shí)也發(fā)布了《電氣及電子產(chǎn)品廢棄物(WEEE)》指令，要求制造商必須負擔歐盟國家所有二手電子產(chǎn)品回收的相關(guān)費用，同時(shí)也允許個(gè)別國家執行更嚴格的規定。

由于限制重金屬使用的規范還沒(méi)有開(kāi)始時(shí)，電子行業(yè)已采用一些不同的產(chǎn)品定義。無(wú)鉛封裝被理解為包括使用鍍純錫的引線(xiàn)框端點(diǎn)封裝，或有低于 1000ppm 含Pb鍍層的錫/銀/銅(Sn/Ag/Cu)合金焊錫的球柵陣列(BGA)封裝。

符合 RoHS 規范的器件必須滿(mǎn)足更嚴格的要求。在所有半導體封裝，包括塑封化合物、鉛拋光、引線(xiàn)框及裸片貼裝所使用的Pb、Hg、六價(jià)鉻(Cr+6)、多溴聯(lián)苯(PBB)，以及多溴聯(lián)苯醚(PBDE)含量都被限制在 1000ppm 以下。此外， Cd需低于 100ppm。

更為嚴格的綠色封裝除了必須符合上述所有的要求外，還限制了溴(Br)及氯(Cl)阻燃劑的使用，其含量必須低于 900ppm，Sb阻燃劑則必須低于 750ppm。另外，綠色封裝禁止使用任何紅磷(P4)。

全球性影響

當歐洲正致力于實(shí)現電子制造無(wú)鉛化時(shí)，全球其他地區也開(kāi)始支持類(lèi)似的規范，如表1所示。

多重挑戰

試圖滿(mǎn)足這些新規范的半導體制造商面臨許多嚴峻的挑戰。首先是向更高回流焊溫度的轉移。傳統的含鉛電路板制造工藝是在240℃或更低的溫度進(jìn)行。新的無(wú)鉛封裝則必須能夠承受峰值達260℃的回流焊溫度，同時(shí)還要保持所有相關(guān)的防潮等級和可靠性都符合 JEDEC J-STD-020 C 版中規定的標準。

此外，沒(méi)有一種合金或化學(xué)材料的焊料能完全替代含鉛焊料。錫須的生成會(huì )影響產(chǎn)品的可靠性?；亓骱府a(chǎn)生的錫須可能會(huì )造成信號短路或是其他信號完整性問(wèn)題。制造商必須徹底了解這些特性，才能預見(jiàn)并知道如何彌補使用無(wú)鉛替代物焊接時(shí)對元件及印刷電路板可靠性造成的影響。

在向符合環(huán)保規范的轉移過(guò)程中，第三個(gè)挑戰是庫存管理。無(wú)鉛、符合 RoHS 規范及綠色環(huán)保標準的系列產(chǎn)品的生產(chǎn)會(huì )引起很大的物流管理復雜性。在轉移過(guò)程中，制造商必須視客戶(hù)的需求同時(shí)提供舊的含鉛元件，以及新的無(wú)鉛或符合 RoHS 規范的元件。他們所面臨的問(wèn)題是如何在不迫使客戶(hù)放棄大量舊的、不符合規范的產(chǎn)品的同時(shí)，能夠讓新舊產(chǎn)品線(xiàn)同時(shí)順利生產(chǎn)。

評估、測試和溝通

要迎合這些快速變化的制造工藝要求，首先要通過(guò)調查或其他方式來(lái)評估客戶(hù)目前的需求，及其對未來(lái)環(huán)保要求的預期?？蛻?hù)的產(chǎn)品是否銷(xiāo)售到有這些規范的市場(chǎng)？是否需要符合 RoHS 規定？或是否愿意更進(jìn)一步推動(dòng)其環(huán)保計劃以滿(mǎn)足綠色封裝標準？

半導體制造商必須擬訂計劃，盡快推出并積極實(shí)行。計劃的首要執行內容必須迅速實(shí)現向高溫度的轉移，以承受 260℃高溫，因為無(wú)鉛封裝必須能夠承受峰值為 260℃的電路板焊接，同時(shí)也要符合 JEDEC 規定的防潮標準。

以IDT為例，在轉換初期曾以平均每秒3℃的提升速度測試無(wú)鉛封裝，并以150至200℃的溫度預熱60至180秒。然后以217℃以上的溫度加熱封裝60至150秒。這時(shí)，IDT的工程師要對大型組裝進(jìn)行測試(指封裝厚度大于或等于 2.5mm，或是封裝體積大于或等于350mm2)，在260℃的最高溫度下(