无铅转换的加速进程与SMT的问题

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)》。

本文引用地址：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。

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。

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Pb1000ppm;JEIDA也定为Pb1000ppm。JEDEC最初建议使用pb2000ppm，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。

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。

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