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实施无卤化PCB组装工艺面临的挑战

发布时间:2011-1-4

取消卤化物在PCB组装工艺的应用会产生巨大的冲击。采用正确的技术和方法将有助于确保高端产品的良率和长期可靠性。

电子行业一直致力于提供更环保的电子产品,这 个趋势的部分原因是来自不同国家的立法规 定,部分原因是来自公众对于媒体广为宣传的 关于第三世界材料循环利用做法上的强烈抗议,还有部分 原因是由于非政府机构 (NGOs) 对于电子设备中多种有毒 物质的含量进行测试并公布了这些信息。减少并最终消除 其使用的其中一种目标物质就是卤代化合物。卤素通常应 用在电缆和外壳等塑料件中,还有电路板基板材料、元器件以及焊接用的助焊剂等。

挑战之一 :无卤的定义
简单来说,无卤意味着产品中不含有元素周期表中 第7族(17)中的任何元素(图3)。这些元素分别是氯 ( Cl) ,溴( Br ) ,氟(F) ,碘( I )和砹(At) 。对 于电子行业来讲,氯和溴是最常用的卤素,氟偶尔会用在 助焊剂中以改善焊接效果,但目前没有得到重视。因此,电子产品的无卤通常定义为不含氯和溴。
标准之间的差异(表1)使得无卤究竟如何定义有些 混乱。 IPC正在编制新的标准,J - STD - 709 ,其目的 是更好地为低卤素电子产品提供指导。截至2008年12月, J - STD - 709规范还没有完成。但有可能将900ppm的浓度 规定变成1000ppm以与RoHS指令相吻合。该规范也有可能 只关注在阻燃剂和聚氯乙烯中含有的溴和氯;然而,一旦 测出溴或氯,很难确切地分辨该卤素究竟存在于产品的哪 一部分。因此,电子公司很可能会限制所有原料的卤素含量,使得工艺控制更简单容易。
标准之间的差异(表1)使得无卤究竟如何定义有些 混乱。 IPC正在编制新的标准,J - STD - 709 ,其目的 是更好地为低卤素电子产品提供指导。截至2008年12月, J - STD - 709规范还没有完成。但有可能将900ppm的浓度 规定变成1000ppm以与RoHS指令相吻合。该规范也有可能 只关注在阻燃剂和聚氯乙烯中含有的溴和氯;然而,一旦 测出溴或氯,很难确切地分辨该卤素究竟存在于产品的哪 一部分。因此,电子公司很可能会限制所有原料的卤素含量,使得工艺控制更简单容易。

挑战之二:无卤印制电路板 长期以来,溴化阻燃剂一直用于印刷电路板的制造, 虽然供应商目前已经开发出了一些无卤替代品,但这些替 代品对组装工艺过程的影响仍然具有很大的不确定性。自 从推行无卤以来,尽管无卤材料已经占据了层压板市场百 分之十的份额,但业界依旧缺少定义组装工艺和可靠性窗 口的生产经验。
无卤PCB板的价格比普通的含卤PCB要高。成本的差异 仅仅是从经济的角度考虑。然而,PCB板制造商们还面临 着一个更关键的挑战:那就是由于PCB钻孔的工艺中受材 料物理特性的影响很大,而无卤材料的硬度通常更高。据 估计,钻头的寿命因此会降低约25%。这决不是无关紧要的,因为这一原因,有可能使无卤PCB一直花费更高的制造 成本。在销售给组装厂时,这个成本将会反映在产品的销 售价格上。
而一个好消息则是,组装商所关注的无卤板的特性, 与有卤的PCB相比一样甚至更好。通过比较从一些供应商所 提供的数据表,可以很容易地看到,无卤基板一般都有较 低的热膨胀系数(CTE),它们有较长的T-260和T-288时 间和一个更高的Td 温度,这些都意味着无卤PCB将能更好 地适用于多次回流工艺,并能够承受较高的回流温度。
从可靠性的角度来看,有相当数量的缺陷与CAF阻抗相 关。CAF(阳极导电丝)是一种电化学失效模式,由PCB板 内层之间长出细丝而导致的。这通常是因为某些类型的内 层发生分层现象,从而产生了一定空间并允许细丝增长, 而这种分层是由于环氧树脂和玻璃纤维的热膨胀系数不匹 配所致。南亚的一些研究结果表明,无卤素板对于CAF的形 成表现出更强的抗力,而由CALCE所做的另一项研究则表 明,无卤素板更容易形成CAF。对于组装高可靠性要求产品 的任何一家公司,这种相互矛盾的数据应该是非常值得关 注的。随着越来越多的独立研究工作的进行,CAF是否是一 个至关紧要的因素将会变得更加清晰。

挑战之三:无卤素与无卤化物的助焊剂
根据定义,卤化物是指任何含有卤素的化合物。例如 食盐(氯化钠)就是一个卤化物。根据这一定义,无卤意 味着产品不包含任何卤代化合物。然而对于焊接助焊剂来说,该术语并不那么合适。IPC/J-STD-004所定义的无卤 助焊剂实际上仅仅是不含离子态卤素。
根据卤化物的含量来给助焊剂分类并不是一个新概念 了。IPC,以及IEC、JIS等其他标准组织几十年前就已将电 子类的助焊剂分类,以确定在电子组装产品上残留物的潜 在腐蚀性。这个分类方法根据其腐蚀性程度的不同将助焊 剂分为L、M、以及H;此外,还根据卤化物含量将助焊剂 分等级为0或1 。这些条目之间的差异是至关重要的,因为 寻求无卤素电子产品就不应该假定不含卤化物的助焊剂就 能符合其无卤素的要求。
IPC所推荐的助焊剂内卤化物含量的测试方法是离子 色谱法。当单独使用离子色谱法时,我们所面临的挑战是 它只能识别不同的离子,已形成共价键的卤化物很难被打 破,因此不能被检测到。此外,还有一些化合物与氯和溴 有类似的保持时间,因此导致非卤化物被误判为卤化物从 而影响测试结果。
在离子色谱法之前先用氧弹燃烧法(EN 14582),能够更 精确地检测到以一切形式存在的卤素,包括离子状态和共 价物形态。这种测试方法是将被测样品进行氧弹燃烧,以 使所有的有机物质在非常高的温度下充分燃烧,卤化物被 转化为氟、溴或氯离子。残留的灰烬包含了卤素和其它的 一些无机物,并通过吸收液使其溶解成溶液,再通过离子 色谱法来确定该溶液中真正的卤化物含量。所有卤素的结 合物,包括任何共价键卤化物通过氧弹燃烧过程来打破键 合并通过离子色谱法检测出来。
IPC J-STD-004所规定的对卤化物的简单测试方法常 常使那些希望组装无卤素电子产品的企业处于困境,因为 只是简单地接受诸如“由离子色谱法判定无卤”或“根据J STD 004 定为L0”等条款是远远不够的。 对于焊膏和助焊 剂来说,要断定其无卤,必须要求按照EN14582的测试方 法对其进行测试。因此,业内也期望对J-STD-004能够进 行更新,将更准确的测试方法包含进去;然而,标准的更新过程可能需要一年甚至更长的时间。

挑战之四:对组装工艺的影响 毫
无疑问,消除了卤素的焊膏和助焊剂将对电路板组 装过程产生最大的潜在影响。焊膏及助焊剂中添加卤素的 目的就是提供极强的去氧化能力并增强润湿性,从而提高 焊接效果。结合目前行业正处于无铅过渡的中期,即需要 使用润湿性不强的合金(无铅)以及含铅焊料的原用合金。
在焊膏里, 去除 卤素有可能对润湿性和 焊接造成负面的影响。 在应用上这将是最明显 的变化,需要更长的温 度曲线或需要非常小面 积的焊膏沉积。正因为如此,两个相对较新的缺陷就会变得普遍。首先就是所谓 的“ 葡萄球现象”(the graping phenomenon)。 该缺陷基 本上是由于焊膏的不完全结合而造成粗糙及凹凸不平的表 面(见图4)。
焊膏印刷之后,由于表面的氧化物产生后活化剂不能 去除这些氧化物时,就会发生“graping”现象。它与总 的助焊剂量相关,越小的焊膏沉积量就会有相对越大的表 面积暴露在空气中被氧化。因此,较小量的焊膏沉积,如 0201的焊接,就需要更大的助焊剂量,而无卤素材料将更容易产生“graping” 。
在无卤转换的过程中很可能会变得非常普遍的第二个 缺陷是“枕头”(head in pillow)缺陷。该缺陷发生是在回 流过程中,BGA器件或PCB板易变形造成的。由于BGA或 基板在弯曲时会使焊球与沉积的焊膏分离,在回流阶段, 焊膏及焊球都进行 熔化, 但彼此并不 接触, 在各自的表 面将形成一层氧化 层, 这使得他们在 冷却过程中再次接 触的时候不太可能 结合在一起, 由此 产生的焊点开路 看起来就像“ 枕 头”一样(如图5所示) 。
正由于“葡萄球”和“枕头”焊点缺陷,焊膏制造商 所面临的挑战是如何使无卤焊膏的性能与目前的有卤焊膏 一样好。改善回流的性能并不那么简单了,由于催化剂被 改良了,可能会对印刷工艺、模板寿命以及存储时间产生 负面影响。因此,在评价无卤材料时,必须谨慎地检验其回流性能,但评估时也不能忽略印刷的效果。

总结
随着行业正在趋向于环境友好或“绿色”电子产品的 普及,快速减少或消除卤代化合物的使用在持续推进,这 可能对材料成本、产品的可靠性以及工艺的良率等产生诸 多不利的影响,而了解无卤材料的性能是成功组装更环保的电子产品的关键所在。