无铅化工艺进程

加速无铅转换的进程作者:Mike Maekawa和Phil de Guzman, Toshiba America Electronic Components Inc.半导体和电子制造商目前都必须面对一个环境保护问题，即如何符合欧共体颁布的两个管理规定，《电子电气设备废弃物(WEEE)》和《有害物质的限制法案(RoHS)》。

电子工业正面临环境保护的挑战，不仅电子产品需要是环保的，电子制造的过程也必须满足环境友好的要求。

欧共体颁布的二个用于环境保护的管理规定，即《电子电气设备废弃物(WEEE)》和《有害物质的限制法案(RoHS)》，要求铅和其它有害物质在电子产品及其生产过程中的使用，必须在2006年7月1号之前得到管理。

半导体和电子制造商都必须对此采取相应措施。

几乎所有电子电气产品都是将半导体器件焊在印制板上。

这些产品达到使用寿命报废后，通常被进行填埋处理。

锡铅焊料由于其使用方便、价格经济、电气和机械性能良好的特性，多年来一直被广泛用于电气连接。

然而，近年来由于环境污染，酸雨开始与填埋的铅废料发生化学反应，酸雨将铅转化成很易溶于水的离子化合物，污染水源。

无铅焊料和焊接工艺的研发因此成为重要的环境问题。

虽然美国迄今还没有类似的立法规定，但欧州要求在半导体和电子设备中减少铅的使用，并规定在2006年7月1日完全实行无铅装配。

这将会对全球市场产生广泛影响。

在过渡期间，全球的供应商必须选择，是否完全从有铅转换至无铅生产，还是使用有铅和无铅参混的生产模式。

后者必须在生产、材料和产品等方面进行细仔的跟踪。

为了减少混合生产模式中供应商和客户长期面临的供应链风险，同时也为尽快转换到生产环保产品，Toshiba建议工业界缩短此过渡期，在2004年完成从有铅到无铅组装的转换。

为缩短向无铅转换的时间，OEM、合同制造商(CM)和半导体供应商需要紧密合作。

业界对各个环节的支持以及承担的义务，是有效实现无铅、开发更宽泛的工艺窗口和生产制程的关键。

为帮助业界理解眼前面临的问题，以下综述了与无铅化转换有关的商业和技术问题。

商业问题面对无铅转换，制造商必须首先作出的一个重要的决策是，应该完全采用无铅的封装器件和焊料，还是应该保持双模式的生产？需要考虑的因素包括：来料供应(涉及到晶园的制造过程) ；客户服务问题；制造设施、成本和库存管理；原料供应的连续性；元件编号和物料清单(BOM)管理；工业界的合作等。

客户服务问题针对无铅的需求，制造商首先需要弄清客户所优先考虑的问题，向客户提供及时而有价值的信息，调查客户需要，与客户交换无铅转换进程，等等。

这些对无铅的平稳过渡是必不可少的。

公开无铅转换计划，可以更好为完成转换做好准备。

由于欧盟法律还有将近三年的时间生效，在美国目前还无类似规定，一些客户没有考虑采取无铅生产。

此外，一些特殊工业部门，其中包括网络硬件产品公司，现在可不受RoHS规则的限制（或享有延长的限期）。

满足这类无须进行无铅转换的客户的需求，需要继续提供原先的有铅元器件，或对新的无铅元器件予以再次鉴定，确保它们能否适应有铅工艺。

另一方面，产品销往欧州和亚州的制造商，正在慎重地寻找无铅的替代制程。

许多日本公司已经制定了它们的进程表，已经或计划在2003或2004转换至无铅制造。

此外，许多电子制造服务厂商(EMS)，也己经建立了合格的无铅产品生产线。

Toshiba一直在努力进行无铅制造转换的规划。

我们的目标是顺利、有效地转至无铅产品生产。

这是一项挑战性的任务，因为仅在北美，我们就向几千客户出售上千种产品，而这些产品都会受到无铅过渡的影响。

此外，由于我们的每位客户都有各自不同的无铅转换进程安排，这使得过渡过程更为复杂。

工厂和客户的库存管理转换至无铅制造需要使用新的物料，并对新物料的供应链重新进行检验和鉴定。

双模式物料清单(BOM)需要额外的库存管理，并进行细心的安排和预测，防止双模式生产中物料互混；对现有的有铅产品的厍存以及线上的产品，更须在无铅转换期的前后加以严格管理，以确保有铅和无铅产品互不相混；无铅产品须要采用新编号，比如使用清晰的无铅产品标志。

无法在器件上作标志的小尺寸器件，其包装上必须在制造厂的标签上加以标记，并且在再次分包装时，需要特别注意防止参混。

有的OEM顾客就要求对无铅的产品进行专门的标记。

生产计划人员和采购人员必须得到充足的相关信息，并得到培训以了解产品的不同特点；对SMT操作员和技术员也要进行培训。

一旦无铅产品与有铅产品同时进行制造，就必须对生产进行严格管理，防止参混。

许多供应商和客户要求使用两种不同的部件编号和两种不同的物料清单。

工业界的协调与合作迄今，关于无铅焊料己有许多独立的研究报告，然而，还没有一个得到工业界普遍接受采用的无铅焊料合金。

为此，需要各方面协同合作，加以研究解决，一个很好的例子是，IPC和JEDEC对不同研究和开发活动进行的参与和支特。

供应的连续性在有铅和无铅生产过程中，需要建立双模式BOM并加以管理。

整个供应链的管理要在双模式BOM的范围下进行评估；双模式BOM以及转换进程的变化，都会使维护和跟踪BOM的成本显著增加；缺乏现行的工业标准和时间进度表，也会对双模式供应产生很大影响；电子元器件供应商的无铅转换日程各不相同，使供应的连续性变得更为复杂；另外，如同多数新技术那样，突发事件常有发生，这会导致无铅技术转换过程中，生产和出货计划的延迟；此外，世界上不同地区对无铅产品需求的不同，运输方面会在一定程度上受到影响；在法律方面，那些独自开发的焊料合金涉及到专利权，这就涉及到专利权费用和专利许可问题，需要加以关注。

技术问题虽然离欧盟建议的管理规定的实施还有近三年的限期，电子元器件制造商、消费类电子产品公司、学院和其他组织都已经对无铅制造做了细致深入研究。

然而仍有大量有待予以解决的技术问题，会影响供应商和客户。

首先，无铅的标准还没有制定；其次，质量和可靠性测试还待标准化；另外，在某些情况下，元件很难做到应有的“前向兼容性” 和“后向兼容性”（backward and forward compatible）。

在客户方面，因为新合金的鉴定需要较长时间，生产可能会被延迟；对现有设备的改造与性能提升，也会延迟生产。

为更有效地转换至无铅制造，半导体制造商、OEM客户、EMS 合同制造商、以及供应商，需要在各个层次上相互合作研究，共同关注上述这些技术问题。

图1 SnAg涂层、涂钯引线(Pd PPF)与传统的SnPb涂层的湿润性是相当的。

设计问题顺利转换至无铅制造需要一定时间，工业界最好现在就开始设计无铅产品。

新产品的测试、鉴定、以及诸多供应链问题，牵涉到业界的很多部门，设计完成之后这些问题需要占用很多的时间。

无铅的定义迄今为止，无铅封装的定义还未被正式确定。

对于引线涂层和BGA焊球，欧盟规定的无铅阈值为Pb＜1000ppm；JEIDA也定为Pb＜1000ppm。

JEDEC最初建议使用pb＜2000ppm，但最近JEDEC决定将不为无铅设定一个ppm值。

由于合同制造商和EMS分处全球各地，无铅定义的不确定，使得SMT物料和工艺的选择及其鉴定工作更为复杂。

欧盟管理规则的正式推出，使全球使用一个无铅定义标准成为可能。

质量和可靠性标准现有的IPC工艺标准适用于有铅产品。

现在的SnPb合金己使用几十年，IPC标准为产品定义了最低的验收标准，客户和供应商使用此标准来作接收和拒收的决定。

采用无铅合金时，为避免错误地解释产品的接收标准，需要建立一个新的标准。

回流焊后各种无铅焊点的目视外观问题，就是一个能说明此问题的一个很好的例子。

比如，纯锡焊点比SnBi焊点更光亮，这会是未接受培训的检验员产生疑惑。

另外，待建立的质量标准，还应该易于SMT生产线上操作员和检验员的培训。

缺乏可用以判断工艺问题的标准，可能会导致代价高昂的延期交货的发生。

锡须（whisker）引起很大关注的原因是非常明显的。

虽然己有很多独立研究的报告，业界目前仍没有锡须试验的标准程序。

最近IPC/JEDEC 在台湾省召开的无铅国际会议上，就有几个公司发表了使用不同测试方法对锡须生长进行研究的报告。

实验结果表明进行标准化非常重要（表一）。

无铅的可焊性测试和焊料可靠性测试也待标准化。

如有全球接收的测试方法，无铅元件的鉴定时间将会缩短，重复测试可以减少，从而降低客户和供应商的成本。

图一是Toshiba对SnPb和预涂覆钯Pd PPF（pre-plating-frame）试件的湿润性和焊点拉伸试验结果，可以看出，SnPb和SnAgCu 焊料对SnAg涂层和Pd PPF引线涂层的湿润性，与这些焊料对SnPb涂层湿润性是相近的。

图 2 SnAg涂层的引线强度与传统SnPb涂层的引线拉强不相上下。

图3无论是使用SnPb焊料还是SnAgCu焊料，其焊点可靠性差别不大。

Toshiba也对焊在PCB上的器件做了焊点拉伸强度试验。

实验结果显示（图2、图3）这些无铅涂层的引线拉伸强度与传统SnPb涂层引线拉伸强度在同一水平上。

SnAg和Pd PPF焊点的强度试验，显示它们的强度可靠性是满意的。

后向兼容性和前向兼容性向无铅制造的过渡不可能在一夜间就完成，SMT组装线可能使用双模式制造线，即在生产中同时采用有铅和无铅的材料进行组装。

这包括无铅工艺中使用有铅元件——有铅元件能否用于无铅工艺称为前向兼容性（forward compatible）,或在有铅工艺组装中使用无铅元件——这称为后向兼容性（backward compatible）。

同时具有此双向兼容性最好，然而，这还要克服很多技术难点。

大多数含铅产品的最高回流温度都控制在240℃，而根据JEDEC J－STD－020B，无铅焊回流的峰值为240℃－250℃。

半导体供应商必须根据J－STD－020B重新界定其元器件的湿敏感度（MSL）。

新的规范设定的峰值温度为大型封装（>350 mm3）240℃,和小型封装250℃。

图4是Toshiba建议使用的用于有铅和无铅产品的温度曲线。

图 4 无铅焊料比有铅焊料需要较高工艺温度，由此引起“后向兼容性” 和“前向兼容性”问题必须得到解决。

NEMI（National Electronics Manufacturing Initiative）也进行了多项研究，其中包括含铅元器件使用无铅焊料和工艺、无铅元器件使用含铅焊料合金、以及混合组装过程等。

这些研究的结果显示，无铅焊料与含铅或无铅元器件的组合，具有与使用有铅焊料同等甚至更好的可靠性。

大多数接受调查的客户在引进无铅产品时，都要求与前向/后向兼容性相关的数据。

而目前还没有相关的工业标准来设定测试元器件前向/后向兼容性的准则。

客户认定测试由于使用无铅元器件，客户要求在大规模的生产之前进行鉴定测试。