PCB無鉛制程導入建議流程

距離2006年7月1日電子產品全面無鉛化的日子越來越接近了,電子業界為了符合此一潮流都正在如火如荼的進行各項相關制程的變更,然而在變更的同時勢必會發生許許多多的問題,這些問題該如何克服?在導入無鉛制程的同時,又該注意什么事情?如何制定無鉛制程導入的流程?以下的說明希望能夠提供給電子業界先進一些幫助。
在無鉛制程當中要了解的事項繁多,因此建議先從以下7大方向來加以討論：
1. 各國相關無鉛法令
2. PCB基板材質的選擇
3. 無鉛零件材質的選擇
4. 焊接設備應注意事項
5. 焊接材料的選擇
6. 制程變更
7. 可靠度試驗
1. 各國相關無鉛法令:
1.1 歐盟
目前歐盟已針對電子產品發出禁鉛令,并擬定所謂的RoHS指令,此條文中明確規定”鉛”,”汞”,”鎘”,”六價鉻”,”PBB”,”PBDE’s”這六項物質不得存在或者超出所規定的含量,并規定所有的歐盟成員國必須2004.8.13
以前完成立法,并于2006.7.1正式執法。以下為這六項物質可能沖擊的產品。
目前使用的電子產品鉛電機電子設備,電池,鉛管,汽油添加劑,顏料,PVC安定劑,燈泡之玻璃,CRT,或電視之陰極射線管,焊接材料…等鎘被動組件,焊接材料,紅外線偵測器,半導體,PVC…等汞溫度計,感應器,醫療器材,電訊設備,手機….等PBB&PBDE’s各式電子產品,PCB,組件,電線,塑料蓋….等
1.2 日本
日本電子工業發展協會(JEIDA)、日本工業規格協會(JIS)…等都已經正在進行草擬各種相關的無鉛規格要求,在此之前,日本各相關知名廠商如SONY,NEC,HITACHI,PANASONIC,TOSHIBA….等等都已經明定出禁鉛的相關條文(例如SONY之SS00259)
1.3 美國
美國的電子業界原先針對導入無鉛化制程的態度原本就不是那么積極但是在世界環保潮流的推波助瀾下,包括NEMI協會及一些世界知名的電子大廠(例如HP,DELL,IBM….等)都已經擬定禁鉛的時程。
1.4 中國
目前全世界最大的電子產品生產基地”中國”,針對無鉛化的到來,已制定”電子信息產品污染防治管理辦法”并預計于2005年1月1日起開始施行。
2. PCB基板材質的選擇
目前可用在無鉛制程上的PCB基板不外乎有六種材質可以選擇:
a. 鍍金板 (Electrolytic Ni/Au)
b. OSP板 (Organic Solderability Preservatives)
c. 化銀板 (Immersion Ag)
d. 化金板 (Electroless Ni/Au, ENIG)
e. 化錫板 (Immersion Tin)
f. 錫銀銅噴錫板(SAC HASL)
以上六種板材,由于化錫板與錫銀銅噴錫板的制程尚未成熟,在市場上接受度還有疑慮情形之下,在此先不進行討論
a. 鍍金板
這是目前現有的所有板材中最穩定,也最適合使用于無鉛制程的板材,尤其在一些高單價或者需要高可靠度的電子產品都建議使用此板材作為基材,只是其成本也是所有板材中最高的。
b. OSP板
使用此一類板材,在經過高溫的加熱之后,預覆于pad上的保護膜勢必受到破壞,而導致焊錫性降低,尤其當基板經過二次回焊后的情況更加嚴重,因此若制程上還需要再經過一次dip制程,此時dip端將會面臨焊接上的挑戰。
c. 化銀板
雖然”銀”本身具有很強的遷移性,因而導致漏電的情形發生,但是現今的“浸鍍銀”并非以往單純的金屬銀,而是跟有機物共鍍的”有機銀”因此已經能夠符合未來無鉛制程上的需求,其可焊性的的壽命也比OSP板更久。
d. 化金板
此類基板最大的問題點便是”黑墊”(Black Pad)的問題,因此在無鉛制程上有許多的大廠是不同意使用的,例如HP便規定所有的HP產品都不可使用此類基板,Dell亦是!
3. 無鉛零件材質的選擇：
關于無零件的最重要的便是零件的耐溫性與零件鍍層的材質,一般來說SMT零件的耐溫性要求必須要達到260℃以上,另外零件腳的鍍層合金組成, Ni/Pd/Au , Ni/Pd,Matte Sn(非亮面)(Sn / 1-3%Bi or Sn / 1-5%Ag)都是可以適用的,至于BGA或者CSP等零件的焊錫球建議使用Sn/Ag(3-4%)/Cu(0.5-1)此合金組成
4. 焊接設備應注意事項
a. SMT設備
一般來說,SMT無鉛制程所使用的Reflow建議需使用8個加熱區,若低于8個加熱區,并非不能用于無鉛制程,只是若爐子長度不夠,為符合使用無鉛制程所需的profile,勢必要將速度降低,如此將會影響到產能。另外由于無鉛焊材的沾錫性會比63/37要差,因此若要改善吃錫性的話,除了添加多量活性劑于錫膏當中之外,也只得靠氮氣來增加吃錫效果。最后最重要的便是冷卻區,由于無鉛的熔點比較高,為了使金屬固化的時候能夠更加緊密接合,加熱后的急速冷卻就變的相當重要了,一般降溫速度將由以往的1℃/sec至少提升到2℃/sec以上會來的比較恰當!因此坊間都已經有水冷式的reflow問世了。
b. Dip設備
以往用于63/37制程的波焊爐是無法使用于無鉛制程,主要原因為無鉛錫棒的熔點都較以往提升30~40℃,因此錫槽的加熱功率一定要提高,如此熱補償的速度才足夠,目前各電子廠的測試作業溫度大多設定在(使用錫銀銅成分時260-270℃、使用錫銅成分時270-280℃)。另外由于長時間的使用無鉛焊材,當中的高比例的錫成分,在長期高溫下很容易對錫槽璧產生侵蝕,因此以往使用不銹鋼作為錫槽原材將不足以克服此現象發生,所以各設備商紛紛以”鈦”合金試圖延長錫槽的壽命!
c. Rework 設備
現今所使用的烙鐵焊臺所使用的瓦數大多為30~40瓦,但是無鉛制程所使用的錫絲熔點已經比以往提高30℃以上,若繼續使用此焊臺的話,溫度一定要調整到420~450℃以上才可以將無鉛錫絲溶化,但是相對烙鐵頭的壽命也將
降低,因此建議必須要全面更換無鉛專用焊臺,瓦數至少達到80瓦以上,溫度同樣設定在350~380℃,在熱補償速度足夠下即可順利進行錫絲焊接制程
5. 焊接材料的選擇
目前市場上無鉛焊材的主流仍然是以: 錫銀、錫銅、錫銀銅為主
a. 錫銀(Sn96.5/Ag3.5 熔點 221℃)
這種合金在沒有討論無鉛制程之前就已經被使用在一些電子產品上了,在無鉛制程被提出后,本來認為可以用來取代原先的Sn/Pb制程,但由于此合金的表面張力較大,導致其擴散性降低,進而影響到吃錫的效果!雖然有些廠商仍然會使用到此合金,但并沒有受到電子業界的廣泛的使用!
b. 錫銅(Sn99.3/Cu0.7 熔點 227℃)
此合金是目前用于波焊制程當中價格最便宜的合金,也是美國NEMI協會所推薦使用的合金,缺點是所需的作業溫度比較高(270~280℃)。另外為了加強此合金焊接后的強度,會在此合金當中添加微量的Ni(大約0.1%)。
c. 錫銀銅(Sn/Ag3~4%/Cu0.5~1熔點219℃)
此合金是目前市場上最被接受的合金組成,用于市場上不同的配方比例有好幾種,以下說明世界各國組織所建議的詳細合金范圍：
(1) 美國NEMI協會----(Sn95.5/Ag3.9/Cu0.6)
(2) 日本JEIDA協會----(Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5)
(3) 歐盟---(Sn96.5/Ag3.8/Cu0.7)
不論上述協會所推薦合金組成為合,只要是在(Sn/Ag3~4%/Cu0.5~1)這個范圍都是被電子業界所接受的
d. 其它合金
至于目前市場上,尤其是日本方面,使用在無鉛的產品上面,還包括有”錫-鋅”系列的產品或者是”錫-銀-銦”,”錫-銀-鉍”….等等,這些合金通常都是使用在某些特定產品上。
e. 錫銀銅鎳鍺五元合金
目前錫銀銅系列的合金還有一款值得推薦,”錫/3.0銀/0.5銅/0.06鎳/0.01鍺”此種合金組成特別針對錫銀銅的一些缺點進行改善,例如焊點裂痕,凹洞..等在錫銀銅合金當中添加”鎳”可以促進合金組織細微化,增加焊點強度,添加“鍺”,由于此金屬的比重較輕(約5.36)因此會在焊錫表面層形成一層類似保護膜的作用,進而阻止合金氧化,增加潤濕的能力。
6. 制程變更
a. SMT制程
鋼板的設計: 由于無鉛焊材的擴散性較差,因此以往用于Sn63/Pb37制程將鋼板內縮的開法將不再可行,建議將鋼板開孔與Pad以1:1的比例設計,甚至長寬都再加長!Profile的設計: 參考錫膏供貨商所提供的profile即可!尤其在冷卻區的部分一定要提高冷卻速率,否則將會有錫凹或者錫裂的現象發生
b. DIP制程
治具的設計: 由于無鉛焊材的流動性較差,若要改變流動性就必須將溫度提高,但是又要確保零件可以承受,因此治具設計的重要性就顯的重要多了。
Profile的設計: 參考錫膏供貨商所提供的profile即可!但是在波焊爐的出口建議加裝急速冷卻的系統,避免焊點出現錫裂的現象!
c. 檢測制程:
AOI 檢測: 由于無鉛焊材的焊點表面為霧狀,因此原先使用于含鉛焊點所設定的參數必須做調整
ICT 檢測: 若使用OSP板材,則PCB基板上的測試點必須要涂布錫膏,如此才可避免探針無法接觸測試點而造成誤判的情況發生
7. 可靠度試驗
當完成后的無鉛組裝板,必須執行以下幾項的測試,以確保產品的可靠度:
a. 振動試驗(Vibration Test)
b. 熱沖擊(或者是熱循環)測試(Thermal Shock Test)
c. 金相切片試驗(Cross Section Test)
d. IC零件腳的拉力試驗(Pull Test)
e. 電阻電容的推力試驗(Shear Test)
f. 摔落試驗(手機產品)
以上試驗,d與e項,在成品完成后與經過b項試驗后都建議執行!另外金相切片的部分,需執行BGA零件,IC零件,Chip零件,PTH零件,除以上零件之外若產品上有重要零件也須一并進行,主要目的為觀察零件與PCB基板間的
焊接狀態與IMC層的狀態!
8. 建議流程:
綜合以上說明,簡單來說,若要完成無鉛產品的導入,先期的試驗流程簡述如下: 取得4種pcb的基板當作測試板,取得無鉛零件,取得無鉛焊接材料,利用現有的設備進行焊接,完成后先觀察外觀的焊接狀態,進行第7項c.d.e的檢查
從四種的測試結果選取兩種較好的焊接狀態,進行正式板的測試,當正式板完成后再按照第7項進行所有的測試!
9. 結論
要從錫鉛制程導入無鉛制程的過程,若不深入了解的話,勢必會產生一些問題因此必須要先了解各國相關法令的內容后,再依據內容去要求各相關廠商提供符合法令的無鉛產品,組裝廠本身也必須針對無鉛制程,對廠內各種設備進行汰舊換新。