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)》。

　　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　　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。