有鉛工藝如何兼容無鉛元器

摘 要:本文主要分析了無鉛元器件的鍍層情況，并給出了有鉛工藝遇到無鉛元器件的相應解決方案。

關鍵詞:RollS——有害物質的限制法案 Leadfree——無鉛焊接

隨著近年來電子行業的飛速發展，廢棄電子產品所帶來的環境影響越來越被人們所重視。幾乎所有電子電氣產品都是將半導體器件焊在印制板上，這些產品達到使用壽命報廢后，通常被進行填埋處理。錫鉛焊料由于其使用方便、價格經濟、電氣和機械性能良好的特性，多年來一直被廣泛用于電氣連接。然而，鉛(Pb)，是一種有毒的金屬，對人體有害，并且對自然環境有很大的破壞性，近年來由于環境污染，酸雨開始與填埋的鉛廢料發生化學反應，酸雨將鉛轉化成很易溶于水的離子化合物，污染水源。出于環境保護的要求，特別是IS014000的導入，世界大多數國家開始禁止在焊接材料中使用含鉛的成分，即無鉛焊接(Leadfree)，綠色制造必將造福千秋萬代。

隨著歐盟RollSWEEE指令的實施，目前許多器件或材料已經轉向供應無鉛的，含鉛的已經停止供貨。這種情況會隨著無鉛的逐步普及化而更重要，最終將會使那些不想轉化的企業在各種壓力下也必須進入無鉛。然而，由于無鉛技術尚不完備，雖然，使用無鉛焊料有利于環境保護，也是必由之路，但是其帶來的一系列問題對質量和可靠性的影響是不可忽視的。

有些電子制造企業，由于對產品高可靠性的要求還沒能啟動無鉛工藝，但由于有的元器件廠已經不再生產有鉛的器件，因此采購不到有鉛器件，所以不可避免地遇到了無鉛元器件，短期內有鉛工藝需要兼容無鉛元器件。

當有鉛工藝遇到無鉛器件時，首先，要搞清楚所采購的無鉛器件的鍍層情況。目前無鉛標準還沒有完善，因此無鉛元器件焊端表面鍍層的種類很多，主要有以下五種錫一銀(Sn-Ag)鍍層、錫一鉍-(Sn Bi)鍍層、錫一銅(Sn-Cu)鍍層、預鍍鎳一鈀一金《Ni-Pd-Au》引腳框架和純霧錫(Pure matte tin)鍍層。美國鍍純Sn和sn/Ag/Cu的比較多。日本的元件焊接端鍍層種類比較多，各家公司有所不同，除了鍍純Sn和Sn/Ag/Cu外，還有鍍Sn/cu、Sn，Bl等合金層。

Sn-Ag鍍層的錫含量約為3 5%，具有良好的可焊性和機械屬性。但是Sn-Ag鍍層容易產生錫毛刺，這是所有高錫含量替代方案的主要可靠性風險。由于材料成本較高，并且鍍浴(pIatmg bath，電鍍溶液)控制程序復雜，Sn-Ag鍍層比較昂貴。從“總擁有成本”的角度考慮，Sn-Ag鍍層并不能作為一種完全可行的選擇。

自2000年以來，Sn-Bi作為引腳鍍層已在日本得到廣泛應用，因此人們開始對其密切關注。當鉍含量為3%時，Sn-Bi的熔點約為220℃，選擇該鍍層肯定可行。但是Sn-Bi材料易碎，鍍層控制復雜，而且它會產生錫毛刺。關于鉍的真實毒性也有疑問，且含鉛焊料后向兼容性問題仍存在爭議。內部篩選實驗和研究確認了這些Sn-Bi問題的存在，所以這種鍍層只能作為臨時解決方案。

S13-Cu鍍層可形成一種鋼含量為07%的高強度低熔點合金，其熔點為227℃。此鍍層的價格相對低廉，且具有良好的可焊性。但是Sn—Cu容易產生錫毛刺，甚至合金成份的微小改變就會大大改變共晶溫度。由于精確控制鍍層成份困難，且Sn-Cu引腳加工與合金(Allov)42引腳框架不兼容，所以該系統不能作為一種可行的解決方案。

預鍍的Ni-Pd和Ni-Pd-Au引腳框架作為無鉛焊接的一種可選方案，干1989年首先由德州儀器(TI)引進。其主要優勢在于該技術適于商業應用，且封裝工藝得以簡化。但是對大批量產品應用而言，Ni-Da—Au解決方案不具備優勢，主要原因在于其成本較高，而且根據現有資料記錄，該方案存在可靠性問題。此外，鍍層在彎曲時會發生斷裂，而且在焊接、引線接合和成模時也存在問題。鈀和金成本高且難以預計，引腳框架的供貨商數量也有限，這些都是該方案的劣勢所在。由于此鍍層系統與Alloy 42引腳框架不兼容，其應用范圍進一步受限。因此，對于大批量生產線而言，這種解決方案不是一種可行的備選方案。

純霧錫是大批量半導體制造商鍍層應用的首選。其原因眾多:對于各種引腳框架而言，霧錫工藝不僅具有良好焊接特性，而且它是一種低成本解決方案，不存在Sn-Ag、Sn—Bi和Sn—Cu系統中的雙合金成份控制問題。霧錫解決方案得以廣泛應用的另一個關鍵因素是其供應充足，此因素與上述技術密切相關。霧錫最重要的一個優勢可能在于它可與含鉛焊料后向兼容。鑒于世界上很許多無鉛政策在執行上存在延遲，這種后向兼容仍較為重要。但由于Sn表面容易氧化形成很薄的氧化層，加電后產生壓力，在不均勻處會把Sn推出來，形成Sn須。Sn須在窄間距的QFP等元件處容易造成短路，影Ⅱ自可靠性。對于低端產品以及壽命要求小于5年的元器件可以鍍純Sn，對于高可靠產品以及壽命要求大干5年的元器件采用先鍍一層厚度約為1μm以上的Ni，然后再度2μm～3μm厚的Sn。

一般，鍍純霧錫的無鉛元器件同傳統的錫鉛焊接工藝是完全兼容的，以下是安森美公司的聲明:逆向兼容性是指客戶可將我們的無鉛產品安裝在其電路板上，并使用含鉛的焊料進行回流焊處理。安森美半導體已經對無鉛器件進行了回流焊測試，測試中使用含鉛焊料回流焊溫度與工藝模擬這種條件。測試在210至230。C條件下進行，結果表明無可焊性問題。請注意:這不適用于BGA、凸塊裸片或倒裝芯片器件;如果這些器件無鉛，則需要使用無鉛回流焊工藝。

其實，一些元件早已遵循RoHS指令，多年來使用無鉛終端，以下是來自Kemet Electronics公司(Greenvllle，美國南卡羅來納州)的意見:10多年前我們已經采用無鉛陶瓷表面貼裝鍍層工藝，數十億件的元件成功用于傳統錫鉛和高溫無鉛焊接工藝中。

總之，同時使用無鉛元件和傳統的錫鉛焊接工藝時，了解無鉛元件的鍍層情況，查看元件廠商相關技術聲明，通過抬高焊接溫度等措施，一般不存在問題，有一些公司一直是如此操作。然而也有例外，球柵陣列(BGA)元件在每一個觸點有一個小焊球，它們沒有常規的電鍍引腳。如果只存在無鉛觸點BGA元件會怎樣7如果用錫鉛焊錫膏和回流焊接，焊點可靠嗎?簡單的回答是否定的。這是一個必需提供停產前購買期限的領域，幸好大多數生產商只需要少量的BGA元件。此外，BGA元件生產商知道一些公司在短期內不會轉向使用無鉛元件，但是，即使您知道生產商會在今后幾年內同時提供含鉛和無鉛的BGA包裝，同供貨商進行核實仍然非常重要。如果這些器件無鉛，則需要使用無鉛回流焊工藝。

有朝一日您必須從有鉛轉變成無鉛，完全停止含鉛焊料的使用，這可能是法律要求的，也可能是由于缺乏錫鉛BGA元件引起的，也有可能是其他商業決定的結果，總之，含鉛產品不可能在本行業無限期存在，無鉛化焊接取代目前的含鉛工藝，已是大勢所趨。另一方面，正如本文開始時所提及的，電子產品對環境的污染主要是由廢棄造成的。因此，著重“綠色產品”即可回收產品的設計與開發，才能從根本上消除電子行業對環境的污染。從這個意義上看，無鉛化只是減少電子產品對環境污染的臨時措施。

參考文獻:

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