什么是无铅生产技术？

发布于：2007/1/19 9:14:48 | 781 次阅读

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那么何谓“无铅”生产技术呢？现在的板卡设备上的芯片，都是通过芯片的封装下面的小焊点和PCB板连接的。这些小焊点传统上是用铅的，而、“无铅”技术则是使用一种锡，银，铜的合成物来取代铅。不过，从有铅产品转到无铅产品是个复杂的过程，影响到所有的电子器件供应商，并带来许多供应链、无铅制程和可靠性方面的挑战，它要求用基于无铅的材料替代过去使用的富含铅的焊料和装配过程中用到的有铅材料。

　　需要说明的是，无铅技术带来的并不全是革命性的转变，这点是用户所应该搞清楚的。在一定程度上，它还是属于一个“发展”技术。也就是说无铅技术是从现有的含铅SMT技术上发展而来的。自有SMT技术时代开始，快速扩张的用户市场，使工业界已经认识到“革命”式改变的害处，所以在研究开发新技术时总千方百计的使其保留相当程度的旧方法。

　　具备较多的“发展性”当然是件好事，表示我们可以更好的利用以往的经验，然而对于无铅技术来说，这却也非简单。在SMT的发展过程中，我们已经有经历过几次影响较大的“发展”经验，例如栅阵排列焊端技术(BGA)、Flip-Chip等等。有些用户可能对于这些技术带来的挑战还记忆犹新。但无铅技术的到来，和以前的几个技术相比之下，其难度和挑战是有过之而无不及。

　　在无铅工艺中，焊接材料的选择是挑战性的。因为对于无铅焊接工艺来说，无铅焊料、焊膏、助焊剂等材料的选择是最关键的，也是最困难的。目前业者对于材料采用标准主要考虑几大部份，包括：金属特性、熔点高低、焊锡性、、成本高低、孔隙、毒性。金属特性主要考虑热疲劳寿命、结合强度与含铅组件的兼容性及其它金属特性，焊锡性则包含与零组件焊接时的沾锡性(或润湿性)及其在PCB焊垫上的焊锡延伸性。

　　虽然目前还没有一种合金焊料能够和含铅焊料一样“好”，但可以替代(可以满足应用)的有许多。目前，替代锡—铅成为无铅焊锡的合金材料主要有三种—锡/银/铜、锡/铜和锡/银/铜/铋。美国和欧洲的厂商看好锡/银/铜，而日本的厂商则倾向于使用锡/银/铜/铋合金。目前在国际上还没有统一的无铅工艺标准。

　　一些机构组织正在积极制定无铅技术应用的标准，如日本焊接协会(JIS)正在加紧探讨无铅焊锡的标准和评测方法，希望能尽快制定JIS标准。这个要求推动了产业对于新的焊料系统的选择。新的焊料系统不仅要求提供与锡/铅共晶焊锡(SnPb63)相似的物理、机械、温度和电气性能，而且要可靠。

　　焊料中除了合金是个考虑和选择重点外，焊剂Flux也不应该被忽视。不同的合金有不同的密度重量，有不同熔化表面张力，不同的熔点温度，和不同的氧化特性。这也就告诉我们焊剂Flux的配方会出现不同于含铅的情况(注：焊剂Flux是个统称，锡膏中Flux包含许多不同功能的成分，如载体、溶剂、稀释剂、稳定剂、助焊剂等等。这多种成分的组合，多种可选材料，就造成多种不同的Flux配方。)。由于焊剂配方一直是个锡膏供应商竞争的商业机密，用户不容易知道其实际的特性。但可以预见的，是这方面的改变会对焊接工艺起较大的影响。

厂商	无铅电镀	应用项目
NEC	Sn-Bi	QFP、TQFP、LQFP、SOJ、SOP、TSOP
NEC	Ni-Au	LGA
Fujitsu	Sn-Bi	QFP、SOP
HITACHI	Sn-Bi	QFP、SOP
Panosonic	Ni-Pd-Au、Sn-Bi	QFP、TQFP、LQFP、HQFP、QFJ、SOJ
日月光	Su-Cu、Sn-Bi	QFP、TQFP、LQFP、HQFP、QFJ

　　目前可采用的无铅焊锡合金组成有以下几种：SnAg、SnCu、SnZn、SnAgCu、SnAgCuBi等。以上各种无铅焊锡系列合金熔点范围皆不同，最受欧洲、美国及日本所共同推崇的SnAgCu系列合金，熔点高达217°C，其余无铅合金的熔点也都在200°C左右，而传统SnPb熔点温度只有183°C，因此无铅合金熔点为重要的考虑议题。

　　贴满元件的PCB通过回流焊之后，元件就能固定在PCB上面，因为是采用无铅工艺，需要更高的焊锡炉温度，并快速的对焊接产品进行冷却以保证焊接质量，造成对焊接材料和焊接机器的要求更高，所以无铅生产需要更高的成本。

　　此外，目前BGA系列封装在IC载板与主板相连接的部分，所使用的材料为钖球，传统钖球主要组成为63wt%Sn37wt%Pb，因此在无铅规范之下，势必也将采用新的钖球材料。SnAgCu是目前各大厂商采用比率的锡球类型，其余则多采用SnAg合金锡球。业界IC封装厂商一般都会密切注意国际各大厂针对无铅规范所作的因应对策，例如未来Sony针对采购对象进行绿色，并且每两年重新，若产品不符合Sony所订定的无铅规范，将无法争取Sony所放出的商机。

厂商	BGA bump
NEC	SnAgCu
TOSHIBA	SnAgCu
Fujitsu	SnAgCu, SnAgBi
HITACHI	SnAgCu
Sony	SnAg
Misubishi	SnAgCu、SnAgCuBi
注：	国际大厂于钖球采用无铅材料趋势

　　材料除了焊料外，主要的还有器件以及PCB。在器件方面，有两个需要给于关注和考虑的。一是器件焊端的材料种类和成分，另一是器件本体的耐热问题。焊端材料方面，即使在含铅技术中，并不是所有的焊端都采用含铅的金属，例如常用的Ag/Pd，Ni/Au，以及Sn，Ni/Pd，Ni/Au/Cu等等都不含铅的成分。而这些材料都确认能够和某些无铅焊料兼容使用，所以在器件焊端材料上，厂商所面对的问题不是太棘手。

　　不过最少还是有三方面的问题困扰着我们。首先是模块器件的组装问题。由于这些器件可能在二级组装时会再度经过焊接所需要的高温处理，所以一般必须使用较二级组装焊接所需焊接温度更高的熔点的合金焊料。而目前这方面的研发远远不及二级组装技术的研发投入的多，而且由于温度更高，对所有材料的耐热性要求又更高了。这也进一步增加难度。虽然目前有解决方案，但高温无铅焊料种类少、成本很高。

　　此外，在推进无铅制程中采用何种焊接方法也是厂商需要考虑的问题。这时就要厂商根据自己的实际情况进行选择，如元件类型：表面安装元件、通孔插装元件；线路板的情况；板上元件的多少及分布情况等，比如对于表面安装元件的焊接，需采用回流焊的方法；对于通孔插装元件，可根据情况选择波峰焊、浸焊或喷焊法来进行焊接。在焊接方法选择好后，其焊接工艺的类型就确定了。这时就要根据焊接工艺要求选择设备及相关的工艺控制和工艺检查仪器，或进行升级。焊接设备及相关仪器的选择跟焊接材料的选择一样，也是相当关键的。

为了让最终用户在对电子产品是否采用无铅工艺辨别时有个衡量的标准，JEDEC标准JESD97对标识、符号、识别无铅组装的标签、组件和器件都有较为详细的规定，要求在内包装和外包装盒上都要打上标签，明确显示包装内的产品符合RoHS指令，或者说是无铅的。JEDEC JESD97对此进行了如下的规定。这使最终用户能够很容易地判定产品是否采用无铅制程，无须再参考其他文件。有了这些信息，再加上特殊的部件编号、无铅符号和结果，有助于实现向RoHS的转换。对任何生产商来说，无铅计划的一个主要部分就是搞清楚每个供货商的部件编号和标注的标准。

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