| ——順應(yīng)國際潮流,避免知識產(chǎn)權(quán)上受制于人 我國電子封裝與組裝產(chǎn)業(yè)由于起步較晚,無鉛化進(jìn)程非常緩慢,幾乎沒有受到應(yīng)有的重視。隨著電子組裝產(chǎn)業(yè)的迅速崛起,我國已經(jīng)成為世界上的電子產(chǎn)品生產(chǎn)與消費(fèi)大國,但是國內(nèi)仍未出臺相關(guān)的法規(guī)限制電子產(chǎn)品中的鉛用量。隨著我國電子產(chǎn)品出口逐年增加,在國際市場上的份額不斷擴(kuò)大,今后必定要受到進(jìn)口國相關(guān)無鉛法規(guī)的約束。因此我們必須加快電子制造與封裝的無鉛化進(jìn)程,否則將嚴(yán)重影響到我國電子工業(yè)的后續(xù)發(fā)展。這是關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、人民健康的大事,必須從國家利益的高度加以重視。
目前還沒有一家中國的供應(yīng)商可以大批量提供無鉛元器件,而在無鉛化方面開始起步的國內(nèi)制造商僅是少數(shù)幾個(gè)為日本和歐洲廠商加工產(chǎn)品的PCB制造商,現(xiàn)實(shí)說明中國電子制造業(yè)在整體上還沒有準(zhǔn)備好進(jìn)行無鉛化生產(chǎn)。
調(diào)查顯示,沒有人會(huì)主動(dòng)采用無鉛工藝;制造商采用無鉛化的動(dòng)機(jī)有35％是迫于立法的壓力;31％是受市場的驅(qū)動(dòng);18％是為了環(huán)境保護(hù)。多數(shù)中國的大型電子制造商都在打聽并進(jìn)而評估無鉛生產(chǎn)的方方面面,他們對相關(guān)的技術(shù)頗有興趣但對具體實(shí)施還抱觀望的態(tài)度,好像大家都在進(jìn)行準(zhǔn)備以便應(yīng)對未來的變局,而很多中小型電子制造商因?yàn)槌杀镜脑蚋揪筒淮蛩銓?shí)施無鉛生產(chǎn)。但另一方面,中國生產(chǎn)的電子產(chǎn)品都在瞄準(zhǔn)歐洲和北美市場,因此一旦無鉛電子產(chǎn)品在國際上變成一個(gè)常規(guī)要求,中國制造商也只能被動(dòng)跟進(jìn)。
目前世界各國無鉛方面的研究越來越廣泛和深入,每年無鉛方面的專利數(shù)量都在增加,近兩年來更是急劇增長,如圖1。其中美國、日本和歐洲的專利各占四分之一強(qiáng),而我國的專利數(shù)量只占不到2％,如果現(xiàn)在不奮起直追,作為電子產(chǎn)品制造大國今后將面臨無鉛知識產(chǎn)權(quán)上處處受制于人的嚴(yán)峻形勢。
電子制造的無鉛化涉及兩個(gè)主要的方面：一是采用新型的無鉛合金來替代傳統(tǒng)的鉛錫合金,而基本不改變現(xiàn)有的生產(chǎn)過程;另一個(gè)方面則是采用導(dǎo)電膠這種全新的互連技術(shù)取代合金互連技術(shù)。本文僅就我國電子制造與封裝中的無鉛合金化問題進(jìn)行討論,希望文中涉及的產(chǎn)品能供中國的電子制造工程師作為參考,并引起業(yè)界的重視。
● 板卡級無鉛合金互連
無鉛的定義尚未有國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。一般認(rèn)定的“無鉛”,是指電子產(chǎn)品中的鉛含量不超過0.1wt％。總體來講,無鉛封裝是一個(gè)系統(tǒng)工程,它不僅僅指無鉛焊料,還有相應(yīng)的元件引腳及其覆層、電路板涂層等都要求無鉛。同時(shí)由于現(xiàn)有大量昂貴的電子產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備與制造工藝大都是與傳統(tǒng)錫鉛焊料相適應(yīng)的,所以向無鉛的轉(zhuǎn)變必然會(huì)帶來大量明顯和潛在的各種問題。
采用無鉛合金替換含鉛合金進(jìn)行二級封裝互連（板卡級封裝）,涉及到四個(gè)方面：無鉛合金體系、焊膏、元件引腳涂層、印制電路板（PCB）涂層。同時(shí)由于無鉛合金的熔點(diǎn)一般高于共晶鉛錫合金,因此互連過程的溫度升高會(huì)使元器件、板卡等的耐熱性受到影響,出現(xiàn)完全不同于鉛錫焊料工藝的一系列可靠性問題。
● 無鉛合金焊料
無鉛合金焊料的開發(fā)基本上圍繞著Sn/Ag/Cu/In/Bi/Zn二元或多元系合金展開。設(shè)計(jì)思路是：以Sn為基本主體金屬,添加其它金屬,使用多元合金,利用相圖理論和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化分析等手段,開發(fā)新型合金與焊接工藝。美國國家制造科學(xué)研究中心（NCMS）經(jīng)過三年多的信息收集和研究,推薦了79種低、中、高溫不同用途的無鉛焊料,認(rèn)為42Sn58Bi（139℃）、91.7Sn3.5Ag4.8Bi（210－215℃）和96.5Sn3.5Ag（221℃）綜合性能較好,適合于不同要求的SMT應(yīng)用。不同合金體系的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂塑性應(yīng)變、塑性性能、彈性模量等機(jī)械性能指標(biāo)接近甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過63Sn37Pb。
總體來說,無鉛焊料出現(xiàn)了很多合金系可供選擇,雖然目前主流趨勢是以SnAgCu為基準(zhǔn),但是具體成份選擇、焊接工藝、焊接性能和可靠性等還不確定。
需要指出的是一些重要的和常用的無鉛合金材料已經(jīng)獲得了專利保護(hù),這對我國這個(gè)世界電子制造大國來說無疑是個(gè)潛在的大問題,但是并沒有引起我們足夠的重視。表2 給出了已獲得專利保護(hù)的SnAgCu無鉛合金系。
● 元器件引腳鍍層
元件引腳的無鉛鍍層有多種選擇,包括： Sn、NiPd、NiPdAu、SnBi、SnCu、SnNi、 NiAu和SnAg等。Pd涂層與SnPb涂層的性能相當(dāng)甚至更好,這是因?yàn)镻d比Au在高錫合金中的溶解速度大的緣故,但是其電鍍卻存在一定困難。AgPd鍍層可能因?yàn)锳g向合金中擴(kuò)散而在焊點(diǎn)中形成空位,所以正在被SnNi取代。Sn有晶須生長的傾向;SnBi是低熔點(diǎn)鍍層,存在脆性相和可靠性問題;SnAg的電鍍比較困難;NiAu的工藝過程難以控制,其中還有銀溶蝕和金屬間化合物的問題。
NiPd雖然有很長的應(yīng)用歷史,但是和無鉛焊料以及過渡鍍層的兼容性較差,潤濕性較差,也有氧化問題和金屬間化合物的問題。目前的傾向是NiPdAu鍍層,德州儀器公司（Texas Instruments）對此種鍍層的元器件和焊料的兼容性、焊點(diǎn)脆性相、潤濕、強(qiáng)度、機(jī)械熱疲勞等研究表明NiPdAu必將成為元器件鍍層的主流,但是還存在材料、工藝以及可靠性方面很多參數(shù)的不確定因素。
● PCB涂層
板卡的表面涂層也是無鉛化焊接的一個(gè)關(guān)鍵部分,因?yàn)楸Ｗo(hù)PCB上的銅導(dǎo)體免受腐蝕和氧化對于焊接性能和可靠性是極其重要的。傳統(tǒng)的主要方法是采用熱風(fēng)平整的方法（HASL）將SnPb材料施加到PCB焊盤上;化學(xué)鍍保護(hù)金屬涂層或者施用有機(jī)焊料保護(hù)劑。由于無鉛化的需要,PCB鍍層必須相應(yīng)地改變。目前采用以下幾種主流替代品：
有機(jī)焊料保護(hù)劑（OSP）：這是一種可選用的候選材料,成本和SnPb相當(dāng),易于操作,可焊性也不錯(cuò);但是其存儲壽命短,而且對于溫度比較敏感,其潤濕性和焊接強(qiáng)度也存在問題,有待進(jìn)一步研究,以確立合適的焊接工藝。
無鉛HASL：其主要問題是涂層平整度的問題,較高的溫度工藝會(huì)導(dǎo)致翹曲,而且涂層會(huì)吸附焊接過程中的化合物,是可靠性的隱患。
浸漬涂層：可將浸漬涂層用來替代HASL,其表面平整度高,易于操作。但是較高的溫度會(huì)導(dǎo)致基體金屬的向外擴(kuò)散和氧化,使得可焊性下降。浸Sn和浸Ag的應(yīng)用比較看好。浸Sn方面,對Sn晶須的生長以及對可靠性影響的研究成為熱點(diǎn);浸Ag則存在化學(xué)遷移的可靠性問題,亟待解決。
化學(xué)鍍NiAu：與其它涂層相比較,它在加工處理過程中具有抗破壞性,存儲壽命明顯提高,但是很難控制其工藝過程。學(xué)者和工業(yè)界對這種鍍層和傳統(tǒng)SnPb焊料的作用過程做了深入的研究,建立了金屬間化合物相關(guān)體系、失效模型、疲勞特點(diǎn)等系列基本理論,并得到了初步實(shí)踐結(jié)果。
總之,以上四大類涂層是轉(zhuǎn)向無鉛化的主體選擇,對于涂層和不同無鉛焊料之間的兼容性、焊接性和工藝、金屬間化合物的種類和形貌以及對可靠性的影響、無鉛失效模型等方面的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都還比較缺乏。 |
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