在制造環(huán)境中實(shí)施RoHS

Alex Chen, Heather McCormick, Daniel Tan and Matthew Kelly Celestica Inc.

　　背景

　　隨著(zhù)2006年7月1日RoHS實(shí)施時(shí)間限日期的日益臨近，越來(lái)越多的電子制造商不得不著(zhù)手進(jìn)行無(wú)鉛工藝評估，同時(shí)實(shí)際開(kāi)始制造符合指令要求的，不含禁止物質(zhì)的產(chǎn)品。

　　制造工藝的無(wú)鉛是主要技術(shù)挑戰之一，業(yè)界對這方面已有許多研究成果，但要注意，電子組件也不能含有法令要求的鎘、汞、六價(jià)鉻、PBB和PBDE。如圖1所示，所涉及到問(wèn)題包括：技術(shù)挑戰如工藝更改、可靠性；到供應鏈挑戰，如元器件符合跟蹤、同一器件的符合和非符合版本的物料管理、避免大量廢棄/非符合元器件的庫存而造成影響。

　　然而，停留在技術(shù)試驗和決定如何管理供應鏈問(wèn)題上還不夠，目前必須要考慮如何進(jìn)行無(wú)鉛設計/制造切換，以及量產(chǎn)制造切換工作。



　　技術(shù)挑戰

　　實(shí)施無(wú)鉛量產(chǎn)制造的第一步，就是要了解組裝工藝和所使用元器件的變化。目前業(yè)界主流的無(wú)鉛焊料是SAC（錫?銀?銅）合金，主要是SAC305（3%銀，0.5%銅）和SAC405（4%銀，0.5%銅）。兩種合金的熔點(diǎn)都是217℃，與共晶錫鉛焊料的183℃相比，其熔點(diǎn)明顯提高，所以組裝工藝必須變化；同樣，印制板層壓材料和元器件材料體系也需要變化，圖2表示了一個(gè)典型的組件如果切換滿(mǎn)足RoHS，可能會(huì )影響到的相應材料體系。





　　為了確定需要對組裝工藝進(jìn)行哪些變化的第一步，我們設計了一塊試驗板，如圖3所示，試驗板是為了模擬一款中等復雜的產(chǎn)品，板上有15種不同類(lèi)型的通用元器件。板上有SMT元器件，如各種面陣列封裝、QFP和分立元件；有通孔元件，如PDIP和通孔連接器，以進(jìn)行SMT組裝工藝、波峰焊工藝和返修工藝的試驗和評估。試驗板使用了三種不同的無(wú)鉛表面處理方式（OSP、ENIG和IMAG），以評估它們在新工藝中的表現。

　　對于無(wú)鉛組裝工藝，iNEMI推薦的焊膏和波峰焊的焊料棒都采用SAC合金。手工返修采用錫銀焊錫絲。試驗板在已有的設備上加工，以評估無(wú)鉛組裝工藝下現有設備的能力并確定其工藝窗口。首先進(jìn)行試驗板的SMT加工。在印刷工序，預先縮小了一些元器件類(lèi)型的鋼網(wǎng)開(kāi)口，在印刷工藝上不需要什么變化，此次評估所用的無(wú)鉛焊膏與常規使用的錫鉛焊膏的印刷性能上大體一致，印刷效果良好，基本沒(méi)有坍塌。

　　如預期的那樣，貼片工藝區別也很小，不會(huì )對無(wú)鉛切換造成影響。在有些情況下，有些面陣列封裝焊球和基板之間對比度較低，這時(shí)需要調整元器件識別設置參數。

　　試驗板在10個(gè)溫區的回流爐、空氣環(huán)境下進(jìn)行回流。雖然需要稍微降低一些鏈速，回流爐是能夠達到并保持溫區設置，同時(shí)得到符合焊膏供應商推薦的回流曲線(xiàn)。有一些試驗板是在氮氣環(huán)境下回流加工的，與在空氣環(huán)境下回流結果相比，其焊點(diǎn)的外觀(guān)更好。此外，回流后分立元件的墓碑發(fā)生概率增大，這主要是由于無(wú)鉛焊料的表面張力更高。

　　回流后，對組件的通孔元器件進(jìn)行波峰焊，底面表貼元件已施膠固定，在施膠過(guò)波峰焊工藝中所用的SMT固定膠與常規錫鉛工藝中所使用的一樣。試驗板分批進(jìn)行波峰焊，一些使用水溶性發(fā)泡助焊劑，其它的使用免清洗噴涂助焊劑。膠和施膠工藝表現良好，不需進(jìn)行任何更改。然而，試驗發(fā)現波峰焊工藝窗口非常窄，使用水溶性助焊劑的波峰焊直通率要比使用免清洗助焊劑的要好得多。特別要注意的是，使用免清洗助焊劑焊接OSP表面處理單板的通孔填充效果很差。有必要對無(wú)鉛波峰焊助焊劑進(jìn)行改進(jìn)。

　　使用烙鐵對缺陷焊點(diǎn)進(jìn)行了手工返修。在手工返修工藝中使用了氮氣保護，以提高已經(jīng)經(jīng)過(guò)幾次高溫的待焊接表面的潤濕性，試驗證明這可以改善焊點(diǎn)。一般地，粘性助焊劑要比液體手工返修助焊劑的效果要好，同時(shí)水溶性助焊劑的潤濕性要比免清洗助焊劑要好。

　　早期的研究表明，已有的設備體系可以用于無(wú)鉛組裝批量制造，同時(shí)它也是進(jìn)行無(wú)鉛輔料體系評估和組裝基本工藝參數評估的基礎，它也可以幫助識別工藝情況，如波峰焊和返修就需要進(jìn)行進(jìn)一步試驗開(kāi)發(fā)，以提高其工藝能力。

　　在RIA試驗板上，我們發(fā)現一個(gè)意料之外的結果，那就是所用標準的層壓材料不適用于無(wú)鉛工藝，我們預料并觀(guān)察到PCB會(huì )產(chǎn)生變色，但同時(shí)我們在許多試驗板上發(fā)現有分層現象。這一結果需要開(kāi)展進(jìn)一步的試驗來(lái)評估無(wú)鉛組裝中各種通用層壓材料的適應性，并確認哪些材料可以用于高性能組件（其要求的回流溫度最高），哪些可以用于低復雜度組件，或哪些不適合無(wú)鉛組裝。

　　基于這一塊試驗板的試驗結果，我們設計了RIA2試驗板（如圖4所示）。試驗板比原來(lái)的RIA試驗板更厚，板上的器件種類(lèi)更多，其層壓材料的耐無(wú)鉛焊接高溫性能更好，層壓材料的厚度也有所增加。試驗的目的是想用這一更厚、更有難度的單板，進(jìn)一步試驗優(yōu)化組裝、返修和波峰焊工藝。另外，試驗板將用于在足夠的統計樣本基礎上，進(jìn)行具體工藝參數分析，同時(shí)對組裝好的單板進(jìn)行可靠性試驗，以得到相關(guān)數據?？煽啃詳祿谴_認無(wú)鉛組裝工藝的關(guān)鍵依據，也可評估各種工藝參數對可靠性的影響。同時(shí)，也對在錫鉛工藝中使用無(wú)鉛器件的效果進(jìn)行了評估。

　　除了進(jìn)行上述目的的試驗外，也啟動(dòng)了解決其它工藝問(wèn)題和元器件類(lèi)型的相關(guān)項目研究，如無(wú)鉛FCBGA和新輔料體系的評估。



　　物流挑戰

　　雖然RoHS實(shí)施要解決的技術(shù)問(wèn)題有很多，但技術(shù)問(wèn)題并不是實(shí)施的唯一障礙，在實(shí)施量產(chǎn)制造前必須先解決許多物流方面的問(wèn)題。尋找RoHS符合元器件就是首要問(wèn)題之一，要切換已有的錫鉛產(chǎn)品到無(wú)鉛上，首先就必須分析產(chǎn)品的物料清單，以判斷哪些物料已經(jīng)有符合版本，哪些還沒(méi)有。隨著(zhù)實(shí)施時(shí)間限的日益臨近，越來(lái)越多的元器件已有RoHS符合版本，但也有一些供應商和部分元器件類(lèi)型在“拖后腿”。

　　不僅存在元器件的可獲得性的問(wèn)題，許多元器件供應商正在從非符合切換到符合上，這向制造商提出了一系列挑戰。第一個(gè)問(wèn)題就是向后兼容問(wèn)題，以保證它們還可以在錫鉛產(chǎn)品中使用。第二個(gè)問(wèn)題是處理那些處于生命周期末期狀態(tài)的元器件。必須在符合器件不是向后兼容的情況下，考慮如何保證供貨的連續性。另一個(gè)重要問(wèn)題，就是那些符合和非符合版本共存的元器件物料跟蹤。

　　物流的另一個(gè)主要問(wèn)題就是收集和管理制造業(yè)者所使用的所有元器件的相關(guān)信息，以保證能實(shí)現產(chǎn)品的物質(zhì)申報，這項工作由于缺乏業(yè)界標準化的物質(zhì)申報模板而變得更加困難。

　　為了明確實(shí)施RoHS和WEEE指令對供應鏈影響，我們成立了一個(gè)全球性的專(zhuān)門(mén)推行小組，以明確并完成指令符合的推行工作。

　　參與業(yè)界相關(guān)組織和標準化活動(dòng)，通過(guò)對標準和業(yè)界應用經(jīng)驗的跟蹤研究，對于規范整個(gè)實(shí)施活動(dòng)非常有益。另外，與元件供應商進(jìn)行緊密合作也非常重要，以了解他們的無(wú)鉛實(shí)施策略和時(shí)間限，同時(shí)讓他們了解你的制造工廠(chǎng)或終端客戶(hù)的需求和時(shí)間限。

　　量產(chǎn)組裝實(shí)施

　　實(shí)施切換

　　雖然確保RoHS符合基線(xiàn)組裝工藝已被開(kāi)發(fā)并且可靠、各種物流問(wèn)題已經(jīng)被確認并且解決是非常重要的，但它們僅僅是實(shí)施無(wú)鉛量產(chǎn)制造的重要一步。切換到量產(chǎn)制造還有許多工作步驟要完成，如圖5所示。



　　首先要進(jìn)行的兩個(gè)步驟 合金和輔料研究和工藝開(kāi)發(fā)及認證??已經(jīng)在前面討論過(guò)了。下一個(gè)階段是將試驗得到的相關(guān)成果轉移到制造現場(chǎng)，在這一過(guò)程中，培訓非常關(guān)鍵。

　　培訓：涉及到無(wú)鉛產(chǎn)品的相關(guān)工程師和操作員必須接受RoHS符合制造培訓，操作員必須熟悉所需的工藝變化，同時(shí)所有的工藝操作文檔必須根據新工藝要求進(jìn)行更新，也必須對業(yè)界最新發(fā)布的IPC-A-610D和J-STD-001D標準進(jìn)行培訓。同樣重要的是操作員必須了解隔離符合和非符合元器件、輔料體系的必要性，同時(shí)要了解潮濕敏感等級的變化。

　　除以上內容外，工程技術(shù)人員必須清楚無(wú)鉛組裝新的工藝窗口，需在系列制造工藝標準中加入無(wú)鉛制造的最低工藝標準和最佳經(jīng)驗作為參考。為了讓新員工快速成長(cháng)，應讓他們可以隨時(shí)得到RoHS符合制造涉及的方方面面的系列培訓材料。

　　設備：然而，只進(jìn)行培訓是不夠的，每個(gè)工序都要對各自設備進(jìn)行評估，以確保它能滿(mǎn)足無(wú)鉛認證的最低標準要求，如果不符合則需要對設備進(jìn)行升級或更換。

　　一般地，所需的最大投資是波峰焊設備，在波峰焊設備上對無(wú)鉛和有鉛錫槽進(jìn)行來(lái)回更換既困難又費錢(qián)，大多數情況下會(huì )使用兩個(gè)不同的錫槽，每個(gè)槽中都還有價(jià)值幾千美元的焊料，錫槽更換也非常耗時(shí)。最好是有專(zhuān)用的無(wú)鉛波峰焊設備。

　　許多情況下這種投資都被延遲，因為導入的第一塊無(wú)鉛組件一般會(huì )盡量簡(jiǎn)單，也許不需要進(jìn)行波峰焊，但是隨著(zhù)RoHS指令實(shí)施日期的日益臨近，這種投資是必須的。

　　試運行：一旦現場(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)的設備和工藝完全升級完成，在量產(chǎn)制造開(kāi)始之前就需要啟動(dòng)認證試運行了，以證明設備的工藝能力。圖6大致列出了認證活動(dòng)的任務(wù)分配和工作計劃。圖7是認證過(guò)程中用到的一種認證試驗板。試驗板進(jìn)行檢驗及切片分析，每條生產(chǎn)線(xiàn)收集到的數據與另一條生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行對比分析，并對照合格/缺陷標準進(jìn)行認證。

　　一旦生產(chǎn)線(xiàn)通過(guò)無(wú)鉛生產(chǎn)認證，就可以開(kāi)始進(jìn)行無(wú)鉛產(chǎn)品切換，必須確定和采購RoHS符合元器件、工藝輔料和PCB，同時(shí)進(jìn)行庫存、在制物料隔離；然后進(jìn)行產(chǎn)品特征認證，以保證所有產(chǎn)品特征工藝如預期一樣運行。一旦完成此項活動(dòng)，就可以啟動(dòng)量產(chǎn)制造了。





　　第一塊無(wú)鉛單板的制造導入

　　導入到亞洲大批量制造工廠(chǎng)的第一款無(wú)鉛單板是一個(gè)低復雜度的消費類(lèi)產(chǎn)品。隨著(zhù)無(wú)鉛組裝需求日益提高，在亞洲所有工廠(chǎng)都開(kāi)展了無(wú)鉛工作，其中2/3的工廠(chǎng)進(jìn)行了15種不同組件的大批量生產(chǎn)。開(kāi)始切換的無(wú)鉛產(chǎn)品會(huì )是低復雜度的單板，隨著(zhù)實(shí)施時(shí)間限的臨近，所加工單板的復雜度會(huì )逐漸提高。開(kāi)始切換的單板一般都只需要進(jìn)行SMT加工，但現在有些就需要使用無(wú)鉛波峰焊工藝了。

　　生產(chǎn)現場(chǎng)管理：對于整個(gè)無(wú)鉛組裝實(shí)施的平穩推行，遇到的最大問(wèn)題就是生產(chǎn)現場(chǎng)管理。在原型機加工時(shí)會(huì )在專(zhuān)門(mén)的設備上進(jìn)行，整個(gè)控制會(huì )非常小心，然而一旦進(jìn)入量產(chǎn)加工，需要更加關(guān)注無(wú)鉛組件、元器件和輔料的管理。一個(gè)基本要求是無(wú)鉛生產(chǎn)工具不能被錫鉛焊膏污染，同時(shí)輔料體系絕對不允許混淆，必須對生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)施嚴格管理，包括在試制前專(zhuān)門(mén)劃分一個(gè)錫鉛材料用專(zhuān)區，這是一個(gè)絕對必須的要求。一旦可以實(shí)施，需要安排專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)線(xiàn)和專(zhuān)門(mén)區域，以減少污染和混淆的風(fēng)險，如圖8所示。



　　元器件管理：對元器件進(jìn)行隔離也是一個(gè)重要的問(wèn)題，尤其是無(wú)鉛元器件廠(chǎng)家型號沒(méi)有進(jìn)行變化的情況下，這時(shí)現場(chǎng)操作員根本無(wú)法判斷元器件是否是RoHS符合元器件。從客戶(hù)那來(lái)的庫存元器件更會(huì )增加這種混亂，因為這些元器件通常會(huì )有一個(gè)新的“客戶(hù)”器件型號。所以關(guān)鍵的是開(kāi)發(fā)并實(shí)施一套系統，讓操作員可以較容易地判斷現場(chǎng)元器件的符合情況，以避免在符合單板上使用非符合的元器件，同時(shí)預防在錫鉛單板上使用非向后兼容符合元器件。

　　返修工藝：在上量階段的另一個(gè)挑戰，就是產(chǎn)品從錫鉛工藝切換到無(wú)鉛工藝的返修工作，在切換期間，工廠(chǎng)內有可能存在產(chǎn)品的錫鉛和無(wú)鉛版本共存的情況，因此，關(guān)鍵是每塊單板進(jìn)行返修時(shí)，可容易地識別其組裝工藝。操作員必須清楚地面判斷每塊單板原始組裝工藝的重要性，然后使用相應的返修工藝。

　　制造過(guò)程中優(yōu)化工藝窗口

　　然而，實(shí)施并不是整個(gè)過(guò)程的結束，雖然通過(guò)試驗板階段得到了基線(xiàn)制造工藝，但需要對各個(gè)工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化工作。持續的改善活動(dòng)，尤其是相關(guān)新工藝的改善，可以幫助我們充分了解工藝直通率的上下限，同時(shí)也可以改善各工藝的直通率情況。

　　無(wú)鉛實(shí)施的主要變化的關(guān)鍵工藝之一就是焊膏回流。早期的研究顯示，已有的回流爐可以用來(lái)進(jìn)行無(wú)鉛焊接，但必須對工藝窗口影響進(jìn)行更為詳細的評估。
對于無(wú)鉛工藝，SAC305和SAC405焊料熔點(diǎn)是217℃，為了形成一個(gè)好焊點(diǎn)，推薦最小回流峰值溫度是232℃，J-STD-020C中限制器件最高溫度為245℃~260℃。這些限制的結果是，與錫鉛工藝相比，無(wú)鉛工藝的工藝窗口變小，這種情況在大尺寸、高熱容密度的單板上尤其嚴重，因為要使板上最小的分立元件和最大的BGA焊點(diǎn)都在工藝窗口范圍內的確是一個(gè)挑戰，而且每個(gè)產(chǎn)品的回流曲線(xiàn)都需要小心優(yōu)化。

　　這對熱風(fēng)返修也是一個(gè)挑戰，因為元器件本體的溫度要遠高于焊點(diǎn)的溫度。圖9列出了回流工藝的實(shí)際工藝窗口，在返修工藝中可能會(huì )達到最大允許溫度。



　　在實(shí)際產(chǎn)品單板上進(jìn)行回流曲線(xiàn)測試，而不是對試驗板進(jìn)行測溫，將有助于評估實(shí)際單板回流曲線(xiàn)是否在工藝窗口范圍內的能力。我們進(jìn)行了四種不同單板的測溫，單板厚度從 0.036到0.092,單板尺寸從5.3x4.3到19.6x15.0。試驗發(fā)現，回流中板上最小元件的溫度一般是最高的，大元件的溫度較低。一般地，可以確定對單板進(jìn)行溫度設置并確保板上所有封裝本體的溫度都符合J-STD-020要求是可能的，如果某個(gè)單板上的某個(gè)元件過(guò)熱，它是可以通過(guò)進(jìn)一步的工藝優(yōu)化得到改善解決的。

　　另外進(jìn)行0.135厚試驗板的測溫試驗，以評估對更有挑戰性單板的返修工藝能力（前期已對薄單板進(jìn)行過(guò)驗證）。試驗發(fā)現，返修工藝過(guò)程中焊點(diǎn)和封裝本體溫度一般是230~255℃，低于260℃最高溫度要求。雖然這對于返修工藝能力來(lái)說(shuō)是一個(gè)鼓舞人心的結果，但需要注意將實(shí)際單板的元器件頂面溫度調制到規格限內的優(yōu)化工作是一件比較困難的事。

　　檢測作為組裝的一部分，需要進(jìn)行分析以確保自動(dòng)檢測設備具備無(wú)鉛單板檢測的能力，同時(shí)對焊點(diǎn)缺陷情況做出精確的判斷。無(wú)鉛焊點(diǎn)外觀(guān)與錫鉛焊點(diǎn)不同，如圖10和圖11所示，焊點(diǎn)看上去灰暗而且顆粒粗大，通常焊料潤濕元件引腳和印制板焊盤(pán)范圍較小。自動(dòng)檢測設備必須具備能力判斷哪些是真的缺陷，哪些是正常的無(wú)鉛焊點(diǎn)。需要驗證評估AOI設備是否有能力準確識別不同焊點(diǎn)外觀(guān)下的焊點(diǎn)缺陷，同時(shí)不會(huì )有許多誤報。



　　在A(yíng)OI和AXI設備上進(jìn)行自動(dòng)檢測試驗，以評估設備缺陷漏測率和誤報率的能力情況，同時(shí)進(jìn)行無(wú)鉛工藝和錫鉛工藝直通率的對比分析。

　　在此項試驗中，共加工和檢驗了近20,000塊無(wú)鉛單板，如圖12所示。數據結果顯示無(wú)鉛單板的檢測誤報率稍微增加，但缺陷漏測率沒(méi)有明顯增加。雖然誤報率增加，但它仍然在可接受范圍內，而且通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化檢測程序，這個(gè)值會(huì )下降。對于不同的無(wú)鉛焊點(diǎn)外觀(guān)，需要對測試程序進(jìn)行修改，不可能直接使用現有的錫鉛程序。



　　需要注意的是：無(wú)鉛工藝的整體工藝直通率要比傳統的錫鉛工藝直通率低，如表1所示。由于本試驗已經(jīng)完成，后續將會(huì )對無(wú)鉛工藝直通率進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，力求達到批量錫鉛組裝工藝的同等水平。



　　結論

　　RoHS符合制造切換是一個(gè)復雜的，但又是可管理的過(guò)程。重要的是要了解潛在的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)在批量制造前進(jìn)行相關(guān)工藝試驗，以評估現有設備能力并識別基線(xiàn)工藝。必須做出并實(shí)施解決各種供應鏈和物流問(wèn)題的計劃，以確保在工廠(chǎng)系統內可以很好地管理符合元器件，同時(shí)生產(chǎn)符合認證所需要的數據可以隨時(shí)獲取。對于每條準備啟動(dòng)RoHS符合制造的生產(chǎn)線(xiàn)，必須開(kāi)發(fā)并實(shí)施培訓、文檔化、制造認證等工作。如果這些工作每項都得到很好地管理，實(shí)施的沖擊和困難將會(huì )大大降低。