改變IC材料以適應環(huán)境標準

IC提供商采用無(wú)鉛材料將如何影響您的設計

隨著(zhù)2006年6月1日的漸漸臨近，“關(guān)于在電子電氣設備禁止使用某些有害物質(zhì)指令”，也就是歐盟的RoHS指令即將生效，設計工程師或他們的IC供應商開(kāi)始采納該指令。幾乎所有的IC生產(chǎn)商都引入了新的無(wú)鉛材料，設計師需要了解這些新材料以及新材料對其產(chǎn)品產(chǎn)生何影響。

RoHS指令的主要影響是采用無(wú)鉛引線(xiàn)框的涂層、耐高溫材料，也許還要引入新的“綠色”成型化合物。為滿(mǎn)足無(wú)鉛錫銀銅(SnAgCu)焊料的回流焊要求，波峰回流焊的溫度會(huì )從210℃上升到260℃，IC供應商必須采用滿(mǎn)足新的波峰回流焊溫度的封裝材料。

幾種獨特的無(wú)鉛加工已經(jīng)被IC元件供應商所采用，其焊球和引線(xiàn)框封裝所用的材料有所不同。

IC的焊球陣列封裝

最初用于焊球陣列封裝的無(wú)鉛球冶材料是錫銀銅(SnAgCu)，有時(shí)這種特殊的合金在使用時(shí)會(huì )略有變化，但大多數情況下還是與所用的SnAgCu焊料基本一樣。National Electronics Manufacturing Initiative(NEMI)建議將Sn3.6Ag0.6Cu合金用作回流焊焊料。多數IC提供商采用了了SnAgCu材料，其中Ag的含量在3.0%～4.0%之間。

向后兼容對焊球陣列封裝來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題。以往的評估表明，標準的有鉛回流焊環(huán)境(210～230℃)不能為SnAgCu焊球提供足夠的回流焊溫度。

要點(diǎn)是無(wú)鉛焊球與有鉛焊料涂層有足夠的混合，特別是在溫度范圍的低端。業(yè)界的共識是，無(wú)鉛焊球封裝不應該用在非無(wú)鉛焊料的操作中。對應于含錫鉛的型號，IC提供商一般會(huì )給無(wú)鉛型的焊球陣列封裝提供不同的產(chǎn)品編號。

IC引線(xiàn)框封裝

IC生產(chǎn)商有多種基于銅的金屬引線(xiàn)框封裝可供選擇，但最后只采用了很少的幾種。大多數IC提供商正在使用錫鉛電鍍工藝(在IC成型操作之后)。

對于那些后成型電鍍的加工來(lái)說(shuō)，顯然可以用純錫(Sn)來(lái)替換。錫鉍(SnBi)是目前正在使用的后成型電鍍的另一種選擇。對于那些傾向于使用預電鍍引線(xiàn)框的IC提供商來(lái)說(shuō)，鎳鈀金(NiPdAu)是首選的加工材料。NiPdAu在20世紀90年代早期就被引入，用來(lái)提高在20世紀80年代末期開(kāi)始使用的鎳鈀(NiPd)合金的性能。

雖然純錫有著(zhù)良好的焊接性能，但是晶須的生長(cháng)是一個(gè)潛在的問(wèn)題。大多數錫合金會(huì )長(cháng)出被稱(chēng)為晶須的細絲，而且通常是在對焊節施加應力和高溫的情況下。

到目前為止，業(yè)內就晶須問(wèn)題是否會(huì )影響長(cháng)期可靠性還有爭論?？墒?，客戶(hù)常常要求這些選用純錫或錫合金的IC生產(chǎn)商提供測試數據。

“錫害”是另一個(gè)與純錫鍍層有關(guān)的潛在的可靠性問(wèn)題。錫在溫度低于13℃時(shí)會(huì )發(fā)生相變，鍍錫會(huì )變成粉末狀，引發(fā)可焊性和連續性問(wèn)題。一些生產(chǎn)商建議在溫度低于13℃時(shí)，避免長(cháng)期存儲鍍錫的元器件。

有些IC生產(chǎn)商正在使用NiPdAu預電鍍涂層，其好處是不會(huì )出現晶須生長(cháng)的問(wèn)題。終端用戶(hù)也許不得不學(xué)習如何通過(guò)視覺(jué)外觀(guān)區分使用后電鍍元件與預電鍍元件的焊節。

后電鍍元件在整個(gè)引腳的外表面都裹上了一層焊料，這樣焊料在回流焊過(guò)程中沿引腳側向下流動(dòng)。預電鍍NiPdAu涂層引線(xiàn)框在引腳上沒(méi)有焊料鍍層，用來(lái)形成焊節的焊料是由用戶(hù)加到印制板上去的。預電鍍鈀涂層的元件可滿(mǎn)足業(yè)界常用的焊接標準。

一些生產(chǎn)商采用錫鉍(SnBi)作為后成型鍍層元件的加工材料。由于SnBi是可焊的，在原先的錫鉛焊接工藝中要考慮鉍的混合問(wèn)題，因為錫、鉛和鉍的三重合金將在96℃時(shí)熔化。

在接近和達到熔化溫度的應用中，這種三重合金會(huì )在焊節處匯集，會(huì )降低可靠性。大多數SnBi元件鍍層含有不到5%的鉍，這些鉍不會(huì )形成三重合金，這是OEM廠(chǎng)商需要注意的事情。

成本

當然還有其他無(wú)鉛材料可供選擇，上面提到的這些材料是目前使用的主要產(chǎn)品。對終端用戶(hù)而言，向無(wú)鉛轉換只有很小或者干脆沒(méi)有成本上的影響。當然，滿(mǎn)足更高的無(wú)鉛焊接溫度可能意味著(zhù)元件提供商將采用更新、更昂貴的裝配材料。設計師應該了解由他們的供貨商所引起的這些成本。有些提供商也許會(huì )轉嫁這些成本，而有些則將這種轉換視為做生意所必需的成本。

設計師需要對許多因素進(jìn)行衡量，重新檢查材料單，核準新的無(wú)鉛部件，但最重要的是要了解他們的IC提供商所采用的加工材料。提供商通過(guò)網(wǎng)站提供了許多資源，來(lái)幫助設計師了解他們的材料組合，以及他們碰到的任何事情?，F在應該花時(shí)間來(lái)收集證據和獲取知識，而不是在可靠性問(wèn)題上浪費額外的時(shí)間和成本。