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無鉛工藝的標準化進展

更新時間:2015-12-23 17:26:17點擊次數:2947次

1 無鉛工藝概述
錫鉛焊料已經伴隨著電子信息產業走過無數個春秋,錫焊工藝自電子業誕生以前都已經得到了廣泛的應用,并且一直以來成為電子制造中一個最關鍵而重要的環節。然而由于歐盟RoHS指令和中國《電子信息產品污染控制管理辦法》(以下簡稱“中國RoHS”)以及其它相關環保法規的實施,含有鉛等六種有害物質的材料或工藝都立即或將要被禁止使用,錫鉛焊料中由于含有高含量的有毒有害的鉛而在將被逐步禁止使用之列,現在有些國家或地區鉛錫焊料已經被禁止使用。為此,可靠地使用了上千年的錫鉛焊料和工藝將被無鉛焊料和無鉛工藝所取代,由于環保組織不畏余力的推動,以及法規的實施與市場競爭的影響,電子工業無鉛化的環保趨勢已經不可阻擋。為了配合好RoHS法規的順利實施,本文將討論實施無鉛工藝所涉及的標準化問題。

廣義上來講,電子制造業就是一個互聯的行業,即將不同的材料粘結(或互聯)在一起生產出元器件,再將具有不同功能的元器件按照一定的原理互聯在一起形成組件,再將組件機械件組合(互聯)在一起就成為設備,將不同的設備組合(互聯)在一起就產生了系統。因此,我們可以認為電子制造業就是一個由小到大的互聯工藝過程。而焊接工藝則成為了電子制造中最重要、最高效、應用最廣泛的互聯手段,錫鉛焊料及其工藝所形成的焊點則成為最可靠的互聯接點之一。因此,如果在此基礎上的電子制造中導入替代的無鉛工藝,必將導致一場電子互聯技術的革命。但是請注意,可千萬別以為“實施無鉛工藝就是把原來的錫鉛焊料更換成為無鉛焊料就可以了”那么簡單!

限制鉛的使用的法規最早在上個世紀九十年代初期就已經開始討論,無鉛焊料及其工藝技術和可靠性的研究在當時在全球范圍內眾多的研究機構中開展得異常熱烈,直到上個世紀九十年代末期才取得初步得成果,研究結果認為在電子制造中實施無鉛化是可行的,日本的松下甚至在1998年就生產出全球第一批無鉛化的批量的媒體播放器??墒?,與使用了上千年的錫鉛焊料相比,無鉛化還是太年輕了,許多問題至今也沒有完全弄清楚,特別是涉及到高可靠性要求的電子產品至今尚無十足的把握推行無鉛化。我們還缺乏充足的使用數據來證明無鉛化產品的長期可靠性是有保證的。這就是為什么無鉛化的推行是一個逐步漸進的過程,不能一蹴而就,中國RoHS在推行的時候充分的考慮到了這一點。所以至今為止,無鉛化只是在普通的消費電子產品上推廣應用,但是這對于法規的推行而言其作用與目標已經足夠了,因為消費類電子產品由于其產量大正是影響環境的最主要因素。

無鉛化的電子制造除了要使用熔點相對較高的無鉛焊料來替代錫鉛焊料以外,還必須考慮元器件、印制電路板、助焊劑、焊接設備的無鉛化以及兼容性問題。由于無鉛化工藝使用了更高熔點的無鉛合金焊料,典型的合金主要為錫銅(Sn99.3Cu0.7)、錫銀銅(SnAg3~4Cu0.5~0.7)以及錫銀(Sn96.5Ag3.5)等,其熔點溫度比起原來的錫鉛焊料要高出30 ℃~40 ℃,因此,導致焊接的工藝溫度再升高20 ℃~30 ℃。這樣就要求元器件與PCB除了材質無鉛化外,必須耐受更高的溫度;設備也要求需要能夠提供更高的施熱效率,并且設備中的錫爐還必須能夠耐高溫熔融的無鉛焊錫的浸蝕;相應地,助焊劑也要求要有更高地穩定性以及助焊活性。因此,所有與工藝相關的要素都需要針對無鉛化作出相應的改進,方能適應無鉛化的基本要求。由于受到材料的耐高溫穩定性的影響,焊接工藝溫度不可能無限提高或按照比例提高,因此,無鉛工藝的工藝窗口就變小了,參數的設置與控制的難度就明顯增加了,這樣產品的成品率就必然受到影響。與此同時,與錫鉛焊料相比無鉛焊料還有潤濕性下降的問題,進一步導致無鉛工藝實施難度增加。所以,由于無鉛焊料而帶來的高溫工藝、工藝窗口縮小以及潤濕性劣化等無鉛化特點,導致了實施無鉛化的道路必然任重而道遠。

2 無鉛工藝標準化的重要性

在貫徹實施中國或歐盟RoHS的過程中,僅有一些針對六種有害物質限量、檢測方法和標識的標準顯然是不足夠的。由于必須面對的技術標準問題沒有解決,即使產品中沒有六種有害物質或者六種有害物質的含量都符合要求,也并不表明中國的RoHS能夠得到順利的實施,因為這些符合環保標準的產品如果都存在質量或可靠性問題,出現許多甚至全都是廢品的話,再環保的東西都失去存在的價值。我國在推行RoHS法規的時候,如果嚴重影響了整個電子信息產業的發展,必然無法順利推行,無鉛焊接這道門檻無論如何是我們必須認真面對的。

由于幾乎所有的電子產品均涉及到錫焊互聯這一工藝環節,因此無鉛工藝的實施不僅已經成為電子制造中最核心的關鍵環節,而且成為RoHS法規能否順利實施的關鍵影響因素。而無鉛化的實施涉及到包括焊料、助焊劑、PCB、元器件、設備以及工藝、質量與可靠性等諸多的影響要素,如果沒有統一的技術標準,這必然導致整個社會的成本增加,而且還阻礙技術進步。雖然工藝標準不是一個強制性的標準,當然它也不可能也不應該是一個強制性的標準,只要你成功的生產出合格的無鉛產品,一般而言沒有必要再強制工藝過程的統一性。但是,工藝相關要素的標準化卻可以大大的降低生產成本、社會成本,加速產品進入市場的時間,促進技術的交流和進步,減少不必要的重復研究或試驗,甚至在解決技術爭端過程中都有十分重要的意義。

比如說無鉛焊料的標準,當沒有標準的時候,由于無鉛焊料尚未有單一的能夠替代錫鉛共晶焊料(Sn63Pb37)的無鉛合金,且種類較多。這就給用戶在選擇和使用無鉛焊料的時候產生了很大的麻煩,而且有時候還會產生許多爭議。每個用戶都去深入研究合金的性能、分析其可靠性,滿足要求之后再去選擇或使用,這必然會浪費許多社會資源,延長了產品上市的時間。再如對于焊點的外觀合格標準,如果沒有統一的標準,在一個企業是合格的,到了另外一個類似的企業就不合格,那就比較麻煩了;另外由于無鉛焊接的特點,許多無鉛焊點表面都有少許裂紋,如果按照錫鉛的標準判斷都應該不合格的了,可是由于無鉛焊接的特點目前絕大部分企業都認為這是合格的。因此,如果將滿足要求的焊點判定為不合格,必然造成不必要的浪費,而如果把不合格的焊點產品判定為合格則會導致整個電子產品存在質量或安全隱患。如果有一個經過充分研究的合格評判標準,這些問題都將迎刃而解了。

需要指出的是,標準的制定過程中需要特別注意避免引起知識產權紛爭問題。如果將某公司的專利產品寫入標準中,就有可能造成使用該標準的用戶侵犯專利的問題或必須繳交大筆專利使用費的問題,使得專利擁有者憑借該標準而賺取超常的不合理利潤,而損害了使用者的利益。這不符合制定技術標準的初衷,應該盡量避免的。

無鉛工藝是一個技術涉及面極廣的制造過程,包涵設計、材料、設備、工藝與可靠性等技術。因此,任何一家企業或個人都難以完成標準化的工作,需要全行業眾多企業和研究機構的共同努力才可以做到。作為一個任何一個電子信息產品都將會遇到的工藝過程,它的標準化無疑將解決了中國RoHS實施的最重要的根本的技術問題,大大促進了中國RoHS的順利實施。因此,無鉛工藝的標準化顯得尤為重要。那種認為實施中國RoHS的過程中只需要《電子信息產品中有毒有害物質的限量要求》、《電子信息產品中某些有毒有害物質的檢測方法》以及《電子信息產品污染控制標識要求》等標準就足夠的想法或論調顯然是不符合實際情況的。

3 無鉛工藝的標準體系

從剛才的論述,我們都已經知道,無鉛工藝是一個涉及面廣的技術過程。那么哪些內容需要標準化?標準化又包括哪些內容呢?哪些標準是必須先著手制定的呢?因此,必須有個通盤的整體的考慮,不能今天遇到一個問題就定一個標準,明天遇到另外一個問題又制定一個新的標準,到時必然造成不必要的混亂。實際上,在某一技術領域,無論是國際電工委員會或是各協會的標準,通常會首先研究該領域的技術體系或標準體系,采用系統的方法來首先提出一個成熟的“標準樹”,這個“標準樹”就是標準體系的形象表示。然后再根據標準樹與需求的輕重緩急來開展標準的制定工作,完善樹枝樹葉等各環節的標準。這才是一個科學的方法,而不是東一榔頭西一棒子做出相互矛盾或互不相關的許多標準來。

標準體系的研究或制定一般是基于涉及對象的知識體系來開展的。對于無鉛工藝而言,最基礎最關鍵的是無鉛焊料,然后是受其直接影響的助焊劑、PCB以及元器件?;跓o鉛工藝的三個特點:高溫、小工藝窗口和低潤濕性的焊料,無鉛工藝中所使用的助焊劑在助焊活性以及熱穩定性方面必然需要改進;元器件的電極或端子必須由有鉛的替代為無鉛,同時還必須確保耐熱性;PCB的可焊性涂層必須改為無鉛,基材滿足耐熱性的要求等等,還有測試方法也與原來的不同,這些依據原來錫鉛焊料的標準都必須修改。

根據無鉛焊接的技術體系以及影響要素,作者將整個無鉛焊接體系表設計如圖1。圖中紅色字體部分是第一批首先起草的幾個標準,目前已經完成報批的所有程序,很快就可以對外發布,提供給企業實施無鉛工藝時參考使用。

該體系表基本上很好的概況了無鉛工藝涉及的關鍵要素,第一層次包括了無鉛材料、印制板(PCB)、元器件、電路板組件(PCBA)、主要工藝設備以及焊接工藝等六個方面。由于材料是基礎,所以先期開展起草的工作,需要指出的是材料中還包括表面貼裝(SMT)用的焊錫膏和焊錫絲等,由于這二者均由助焊劑和無鉛合金組成,只是形態不同因此沒有單列出來,其中助焊劑標準中通常包括了技術要求和測試方法,因此也沒有展開單獨列出。另外由于元器件與PCB都有類似的工藝要求和被焊的特點,且種類繁多,為了便于生產管理以及使用方便,需要專門進行統一的標識,所以應該有統一的標識標準。對于元器件而言,為了工藝以及質量管理的要求,應該至少標識出必要的信息,例如最高耐受溫度以及可焊性涂層的成分,以滿足工藝兼容性的使用要求;對于PCB組件而言,焊接的工藝已經完成,應該更多的關注焊點的質量與可靠性指標,以及針對它們的檢測方法,如果每個企業都有差異很大的質量標準的話,產業鏈的成本將顯著攀升,所以PCBA的質量標準應該盡快有個規范。

至于焊接工藝通??梢越o出一個通用的規范,它與錫鉛焊接已經有很大的差別,對于許多剛剛接觸或期望導入無鉛工藝的廠家而言,這種通用規范的指導意義是非常大的。由于所使用的材料不同工藝必然有差異,制定一個標準來具體地規范工藝參數是不可行的,但給出一個通用的指導性的規范則是可行的必要的。直接與無鉛工藝相關的設備就是電烙鐵、波峰焊爐以及回流焊爐,設備的標準化是比較困難的事,相對于錫鉛焊接設備而言,無鉛焊接設備在熱容、施熱效率、施熱的均勻性以及耐腐蝕性方面均需要改進或提升,另外為了進一步提升焊接的潤濕性,許多設備增加了氮氣保護裝置。因此,大部分原來的焊接設備已經不能繼續使用而必須更換。為了便于采購或評估新設備的性能指標是否滿足無鉛工藝的焊接要求,有一個設備的通用規范是必要的。目前IPC已經組織有關人員開始起草無鉛回流爐的標準。

實際上,國外已經有一些無鉛的標準出臺了,比如說包括無鉛部分的焊料標準(IEC61190,IPC/EIA J-STD-006B)和試驗方法標準(如JIS Z3198-2003),這些標準都是圍繞一個目標體系的,并且互相之間引用協調得非常好。建議我們的標準工作應該多借鑒他人的先進經驗,組織行業里真正的專家首先開展體系表的研究,并依照體系表有序地逐步地推進無鉛化標準的起草工作。本文所提出的體系表可以為此做一個參考。

為了更好的配合中國RoHS的實施,在原信息產業部成立的“電子信息產品污染控制標準工作組”之初,就在工作組的領導下分別成立了“限量與檢測”、“標識與認證”與“無鉛焊接”等三個標準起草項目組。其中“無鉛焊接”項目組由中國電子材料協會牽頭負責組織與無鉛焊接有關的標準的起草工作,最后具體的工作又由關系密切的中國電子材料協會下屬的“焊接材料分會”負責落實,其它工作組成員負責協助的工作。第一批立項要起草的標準有五個,即《無鉛焊料――化學成分與形態》、《焊錫膏通用技術要求》、《無鉛焊接用助焊劑》、《電子焊接用錫合金粉》與《無鉛焊料試驗方法》(含熔化溫度、機械拉伸、擴展、潤濕性、焊點拉伸與剪切、QFP引線焊點45度拉伸、片式元件焊點剪切、焊料動態氧化出渣量的測試方法等八個無鉛焊料或焊點的試驗方法)等。但是由于種種原因,無鉛焊接標準由2004年開始起草至今一直沒有出臺,不久前剛剛完成報批的有關手續。據了解,延遲出臺的主要的原因在于兩個方面:一是標準中所列的無鉛合金有不少主流的無鉛焊料都是受專利保護的,一些合金并且沒有經過充分試驗驗證,就是缺乏可靠性數據與性能參數以及實際的應用數據,擔心寫入標準后給用戶帶來風險;第二方面就是由不同單位承擔的所要起草的五個標準之間一直缺乏協調性。眾所周知,助焊劑是配合焊料使用的,焊錫膏是又焊錫粉與助焊劑混合而成,而焊錫粉又是無鉛焊料合金的一種形態,其中絲狀焊料即焊錫絲中又包含有樹脂芯助焊劑,而所列的這些材料都需要測試,除了產品標準以外還需要有測試標準,所以這些標準之間關系非常密切,免不了互相之間有相互引用的問題。但是綜合原來的標準草案來看,光是助焊劑都有三種不同的標識方式,合金的化學成分就有兩套體系,標準之間明顯缺乏有機的聯系,這樣的標準如果出臺必然造成業界的困擾和使用不便。因此,作者本人受邀主持了這批標準的協調工作。經過大家的共同努力和協商,目前的標準基本定型并經過專家審定會的審定,已經在向業界公示。下面簡述一下各標準的主要內容:

《無鉛焊料――化學成分與形態》是無鉛化的最基礎的材料標準,其中包括了23種合金焊料,涵蓋了最常見的錫銀、錫銅、錫銀銅、錫鋅、錫鉍、錫銻等系列的熔點由低溫到高溫的常用合金,但需要業界注意的是其中的某些三元以上的合金有專利授權問題?!稛o鉛焊接用助焊劑》則是另外一個重要的基礎標準,規定了配套無鉛焊料使用的助焊劑材料的標識、分類、規格、測試方法、性能與可靠性指標等,其中特別因應無鉛工藝的特點研究改進了助焊性能的評價和測試方法;《電子焊接用錫合金粉》標準則是專門因應無鉛SMT焊錫膏要求而規定了焊錫粉的技術要求與測試方法,但該標準還包括了有鉛合金的焊錫粉。嚴格來講,焊錫粉只不過是焊料中的一個不同形態的粉末焊料而已,在國外的標準中都是將其并入焊料的基礎標準中,不單獨制定;由于電子制造的發展方向是表面貼裝技術(SMT),配套該技術使用的焊錫膏則成為該技術實施的關鍵的材料,他是焊料粉與助焊劑的混合膏體狀物質,因此,《焊錫膏通用技術要求》標準因應而生,該標準針對無鉛化的特點在原標準的基礎上進行了修訂,內容包括有鉛和無鉛部分,主要規定了焊錫膏的標識、規格與技術要求、測試方法等。最后是《無鉛焊料試驗方法》標準,該標準規定了八個測試方法,包括無鉛焊料的熔點測試、擴展率測試、潤濕性測試、機械性能測試、焊點拉伸與剪切強度測試、QFP焊點45度角拉伸強度測試、片式元件焊點剪切測試、無鉛抗氧化特性評價等。值得提醒的是,其中的三個方法其實不是無鉛焊料的測試方法,而是無鉛焊點的測試方法,它不僅是焊料還涉及元器件與基板和工藝。該測試方法標準與日本的JIS Z3198-2003有一定程度的類似,可以提供給工業界一個統一的無鉛焊料和焊點的質量的測試方法??傊?,這些標準將為無鉛化或綠色電子制造在我國的快速健康地發展起著重要地作用。

5 國內外已有的無鉛標準簡介

雖然國內的電子行業的無鉛標準遲遲不能出臺,不過令人欣慰的是國際上出臺了不少相應的標準,可供電子制造業界選擇使用,出臺這五個標準反而不那么緊迫了。本節將簡要的介紹這些已經出臺的國際或其它國家和組織出版的有關無鉛工藝的標準。

標準化的程度往往是該項技術成熟與否的標志。自從上個世紀九十年代末無鉛實用化以來,由于受到早先歐盟RoHS的推動到如今的中國RoHS的實施,無鉛工藝已經逐步走向成熟。許多消費類的產品均實現了無鉛化,大多數大型的企業都已經完成了無鉛化或完成了準備工作,只是由于產品銷售的區域尚未有立即禁止鉛使用的要求以及基于成本的考慮暫時沒有導入無鉛工藝,而許多中小企業由于技術貯備不足或由于成本的考量至今尚未有實質性的準備。由于國際品牌的大公司的推動,其代工的OEM廠商應該說無鉛化最積極,在無鉛工藝技術水平方面處于領先的位置。而標準的出臺往往落后與產品或技術的發展,至今尚有部分支撐無鉛化的標準沒有出臺。國內的支撐中國RoHS實施的無鉛化標準起步雖早,但由于種種原因,至今尚未完成編制的程序。國際上有些非?;钴S的標準化組織在這些方面做了很多工作,特別是國際電工委員會(IEC)、日本工業標準協會(JIS)以及美國電子電路封裝與互聯協會(IPC)已經出臺了一些無鉛的標準,為了更好地推動或支持中國RoHS的順利實施,本節將簡要的介紹一些已經出臺的無鉛化標準。

首先是無鉛焊料的標準。這方面最有代表性的就是IPC于2006年1月修訂出版的美國聯合工業標準J-STD-006B(Requirements for Electronic Grade Solder Alloy and Fluxed and Non-Fluxed Solid Solders for Electronic Soldering Applications)和ISO9453:2006與JIS Z3282-2006。其中標準J-STD-006B覆蓋了幾乎所有目前用于電子焊接工藝的各種形態的焊料,包括錫銀、錫鉍、錫銅以及錫銀銅等27種無鉛合金(見標準中的附表A-1)、傳統的錫鉛合金(見標準中的附表A-2)以及其它的非錫鉛的特殊合金焊料(見標準中的附表A-3)。該標準還規定了合金成分所允許的偏差以及允許雜質含量的標準,同時標準還給出了各合金的液相線以及與ISO9453(Soft Solder Alloys-Chemical Compositions and Forms)的合金標識比較,以便用戶在選擇使用不同合金焊料時提供參考。而ISO9453于2006年又更新了它的版本,新版本中增加了無鉛焊料部分,更新后的ISO9453除了包括9個系列的31種含鉛的傳統焊料以外,還增加了11個合金系列的21種合金組成的無鉛焊料。ISO9453新版標準中列舉的無鉛焊料合金具體有:Sn-Sb系一種、Sn-Bi系一種、Sn-Cu系列2種、SnAgCu系3種、Sn-In系一種、Sn-In-Ag-Bi系列2種、Sn-Ag系4種、Sn-Ag-Cu-Bi系1種Sn-Zn系一種以及Sn-Zn-Bi系一種。而日本工業標準協會的標準JIS Z3282-2006(Soft Solder -Chemical Compositions and Forms)包括線狀、條狀、塊狀以及粉末狀等各種形態合金形式,其中粉末合金的規格和要求按照標準JIS Z3284執行,按照合金的化學組成分類,該日本的標準(JIS Z3282-2006)則包括了3個合金系列共19種合金組成的含鉛合金,以及11個系列共21個化學組成的無鉛焊料合金,無鉛焊料在列表時還按照焊料的熔點劃分為高溫、中高溫、中溫、中低溫與低溫等五大系列。此外,無鉛合金中包含了三個化學組成比例的錫銀銅專利合金,標準還特別提示了專利無鉛合金及其專利的擁有者。方便了業界在選擇無鉛合金焊料的時候考慮相應的適當措施,以避免違反法規或侵權。

另外在2002年版的IEC61190-1-3(Requirements for Electronic Grade Solder Alloy and Fluxed and Non-Fluxed Solid Solders for Electronic Soldering Applications)都已經提及錫銀銅銻的無鉛合金,但沒有展開到包括其它的無鉛焊料,但是2007年出版的版本參考J-STD-006B的內容進行了修改。此外,我們國家的國標委2007年1月發布了由中國機械工業聯合會提出的《無鉛釬料》(即GB/T 20422-2006)標準,該標準包括了一些非專利限制的常用的無鉛焊料,但是沒有包括國際上最常用的SAC305或SAC387系列合金,遺憾的是該標準將合金與雜質成分混合并列在一個表中而沒有任何明顯的區分,用戶使用有些不方便。眾所周知,無鉛焊料主要適用于電子互聯軟釬焊接,這樣的標準由主要為硬釬焊領域的中國機械聯合會提出造成了不少困擾,為此電子業界出現了不少質疑該國家標準適用性的聲音。另外,國外技術機構通常的做法是不單獨列制新的無鉛焊料標準,而是在原有的焊料標準的基礎上增加無鉛焊料的內容來改版升級標準。這可能是由于國情不同吧,作者還是認為國外的做法更為可取,更有利于標準化的管理與標準的使用。

由于助焊劑是配合焊料來使用的,隨著焊料的無鉛化,焊接工藝條件也發生了很大的變化,評價助焊劑的性能必須用到無鉛焊料與無鉛的工藝條件,顯然新的助焊劑標準必須及時制定。但目前大部分這些標準都在基本完成,IPC也已經將J-STD-004A(Requirements for Soldering Fluxes)改版升級到包括無鉛部分的J-STD-004B的工作,標準中增加了與無鉛有關的內容,有我們實驗室參與翻譯的中文版也馬上就要出臺了。

其次是關于無鉛元器件的標準。對于無鉛工藝而言元器件的相應的轉變主要體現在兩個方面,即元器件的可焊性端子或引腳的可焊性涂層的無鉛化以及本體耐高溫性能方面。所有關于無鉛元器件的標準基本圍繞這兩個方面的。對于元器件的引腳或端子而言,主要考慮其無鉛化后的可焊性、耐金屬化熔解性與耐焊接熱等,這方面已經有美國聯合工業標準IPC/EIA J-STD-002C(Solderability Tests for Component Leads, Termination, Lugs, Terminals and Wires),該標準剛剛于2007年12月由B版改版而來,其中包括了無鉛化部分,無鉛元器件評估測試所使用的無鉛合金為SAC305(Sn96.5Ag3.0Cu0.5),溫度條件為250℃,而耐金屬化熔解試驗的溫度條件無鉛/有鉛的均為260℃。另外針對無鉛塑封器件,其潮濕回流敏感度的標準IPC/JEDEC J-STD-020C(Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices) 在2004年都已經增加了無鉛的分類和測試條件。與有鉛的條件相比,無鉛元器件在回流曲線上,預熱溫度與峰值溫度均勻顯著的增加(預熱增加近50℃,峰值溫度增加20℃),回流的時間增加近兩分鐘。另外,由于元器件引線腳的可焊性涂層轉變為純錫后,其生長錫須的風險大大增加,因此JEDEC(美國聯合電氣工程師協會)又針對此問題于2005年組織起草了一個錫須生長風險的評價標準:JESD22A121 (Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes);除此之外,JEDEC與IPC又分別分布了一個關于無鉛元器件標識的標準,分別是IPC1066和JESD97,其內容基本一致,只是前者包括了線路板和組件部分,后者只強調元器件的本身,這兩個標準主要是通過代號標識出無鉛可焊性涂層的合金和最高安全溫度,以便于使用時考慮工藝的兼容性問題。一方面避免產生材料的兼容性問題,另外一方面便于物料以及供應鏈的管理。

再就是PCB的無鉛化標準問題。對于無鉛PCB最關鍵的其焊盤的潤濕性問題以及基材的高溫穩定性問題?,F在已經有IPC標準J-STD-003B,該標準剛剛與2007年3月份完成改版更新,現在的B版已經包括了無鉛工藝的部分,無鉛可焊性的評估試驗也像元器件一樣選用了SAC305的合金來進行。由于PCB是一個比較復雜的產品,涉及影響的因素很多,其產品的通用規范無論是柔性板或是剛性板都剛剛完成包括無鉛化內容的修訂。

最后就是無鉛線路板組件(PCBA)以及焊點的質量與可靠性標準。包括無鉛組件要求的標準J-STD-001D(Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies)于2005年已經發布,現在又在討論新的版本了。由于無鉛焊點在外觀上與有鉛的已經有明顯的不同,必須修改其中的評判標準,現在已經有直接可以使用于評估無鉛焊點外觀可接收性的標準IPC-610D(Acceptability of Electronic Assemblies),該標準已經被業界廣泛采用。需要補充的是,日本工業標準協會于2003年就一次性發布了7個專門針對無鉛焊料與其焊點質量的測試標準(JIS Z3198-2003系列),這七個標準分別為:1)無鉛焊料的測試方法第1部分:熔點溫度范圍的測定方法;2)無鉛焊料的測試方法第2部分:機械特性-拉伸強度的測試方法;3)無鉛焊料的測試方法第3部分:擴展試驗方法;4)無鉛焊料的測試方法第4部分:可焊性測試方法――潤濕天平法與接觸角法;5)無鉛焊料的測試方法第5部分:焊點的拉伸強度與剪切強度測試方法;6)無鉛焊料的測試方法第6部分:QFP焊點的45度角拉伸測試方法;7)無鉛焊料的測試方法第7部分:片式元件焊點的剪切強度測試方法。這些標準無疑為無鉛化的產品的質量保證發揮了至關重要的作用,對于推動電子制造無鉛化的進展意義重大。所以,在這批即將出臺的五個配套的無鉛行業標準中也包括了這部分內容。

6 無鉛工藝及其標準化展望

對比無鉛標準體系表以及現在已經出臺的有關的無鉛標準,我們可以了解到體系中的許多標準還沒有制定出來,即使已經制定出臺的標準也大多都是國外的,并且隨著無鉛工藝技術與無鉛材料技術的快速發展和無鉛化的不斷深入,許多標準參數都需要改進。無鉛的產品在長期使用時的可靠性問題一時半會還無法解決的情況下,許多研究工作仍然需要不斷的深入,無鉛工藝技術的發展必然導致標準化也需要不斷的進步,以跟上技術發展的步伐。

現在支撐中國RoHS實施的五個行業標準(助焊劑、焊錫粉、焊錫膏、無鉛焊料與測試方法)已經基本完成了起草的工作,還需要一點點時間來完成必要的發布程序。從標準的文本來看,經過協調,幾個標準相互之間的協調性已經大為加強,內容也已經相當的完善,相信我們將會很快擁有自己的配套標準,只要采取虛心而開放的態度,多學習國外制定標準的先進經驗,歡迎有關的各類型單位的專家參與,我們自己的行業標準就會越來越完善。

無鉛工藝的下一步的發展關鍵取決于無鉛焊料的發展,由于現在主流的無鉛焊料中包含有較高比例的貴金屬銀,而且相應的資源也越來越匱乏,導致無鉛焊料的成本越來越高。要想無鉛化能夠得到健康而順利的發展,必須解決無鉛焊料的成本問題,并且同時還需兼顧到產品的可靠性。因此,低銀或不含有銀的低成本無鉛焊料的研發是關鍵。另外無鉛焊點的可靠性評價技術還有許多問題沒有解決,導致高可靠性要求的產品一時無法推廣無鉛化,因此可靠性問題又將是一個研究的焦點和熱點。這樣一來,使用SAC305作為標準合金的測試標準、合格判據都將要重新修訂,無鉛焊料標準中將包括一些新型合金體系。無鉛焊點可靠性評價方法的標準化則是下一階段工作一個重點,只有等到無鉛焊點的壽命可以依賴標準的方法進行評估,無鉛化的技術才算基本成熟。

另外還需開展無鉛焊接通用工藝條件的研究,制定出相應的標準,指導業界在實施無鉛化工藝時可以低成本而高效率。無鉛焊接設備的標準一直以來均缺乏,雖然設備比較復雜,人們熟練掌握并很好的使用是有許多困難,但是工藝上有許多要素是相通的,為了進一步降低成本或更方便采購選型,設備的標準化必須盡快提上議事議程,在國家大力號召發展裝備制造業的時候,不妨先開展其設備標準化的研究,這應該是無鉛標準化將來的一個著力的突破口。作為工業和信息化部的技術支撐單位和業界的技術服務平臺,工業和信息化部電子第五研究所除了為無鉛化提供測試、分析與咨詢等技術解決方案外,還將一如既往的支持我國的無鉛標準化的工作,為我國的綠色電子制造快速健康地發展做出自己應有的貢獻。

聯系電話:0755-82815425

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