PCB耐溫與無鉛標(biāo)準(zhǔn)

1、RoHS&LeadFree 對 PCB 之沖擊于 2006 年 7 月 1 日起歐盟開始實(shí)施之 RoHS 立法，雖然歐洲與 j 本 PCB 廠商已展開各項(xiàng) LeadFree 制程與材料切換，并如火如荼的進(jìn)行測試。但若干本土的 PCB 廠因主要訂單在美商，基于成本的考量，仍采取觀望的態(tài)度。但如果不正視此問題，一旦美系 OEM、EMS 大廠決定跟進(jìn)，必將措手不及衍生出諸多問題，可能的沖擊不可等閑視之。 FR-4 樹脂、銅箔、焊料與背動元件彼此存在熱脹系數(shù)之差異，其中樹脂 Z 方向的熱脹系數(shù)高達(dá) 60ppm/C,與其它三者差異甚大。由于錫鉛焊接之組裝方式已沿用 40 年以上，不但可靠度佳且上

2、至材料下至制程參數(shù)與設(shè)備均十分成熟，且過去發(fā)生的信賴性問題與因應(yīng)對策已建立完整的資料庫，故發(fā)生客訴時，可迅速厘清責(zé)任歸屬。但進(jìn)入 LeadFree 時代，從上游材料、PCB 表面處理、組裝之焊料、設(shè)備等與以往大相逕庭，且大家均無使用的經(jīng)驗(yàn)值，一旦產(chǎn)生問題，除責(zé)任不易歸屬外，后續(xù)衍生丟失訂單、天價索賠的問題可能層出不窮，故不可不慎。LeadFreeffl 裝通用的焊料錫銀銅合金(SAC),其熔點(diǎn)、熔焊(Reflow)溫度、波焊(WaveSoldering)溫度分別較錫鉛合金高 15c35c 以上，幾乎是目前 FR-4 板材耐熱的極限。再加上重工的考量，以現(xiàn)有板材因應(yīng)無鉛制程存在相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。有監(jiān)于

3、此，美國電路板協(xié)會(IPC)乃成立基板材料之委員會，針對無鉛制程的要求訂定新規(guī)范。然而，無鉛時代面臨產(chǎn)業(yè)上、下游供應(yīng)鏈的重新洗牌，委員會各成員基于其所代表公司利益的考量，不得不作若干妥協(xié)。最后協(xié)調(diào)出的版本，似乎盡能達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)。因此，即使通過 IPC 規(guī)范，并不代表實(shí)務(wù)面不會發(fā)生問題，使用者仍需根據(jù)自身的需求仔細(xì)研判。以新版 IPC-4101B 而言，有幾個重要參數(shù)：Tg(板材玻璃轉(zhuǎn)化溫度)：可分一般 Tg(110C150C),中等Tg(150C170C),HighTg(170C)以上三大類。Td(裂解溫度)：乃以熱重分析法(ThermalGravityAnalysis)將樹脂加熱中失重5%(

4、WeightLoss)之溫度點(diǎn)定義為 Td。Td 可判斷板材之耐熱性，作為是否可能產(chǎn)生爆板的間接指標(biāo)。IPC 新規(guī)范建議因應(yīng)無鉛焊接，一般 Tg 之 Td310C,MidTg 之Td325C,HighTg 之 Td340C。在組裝之波焊過程，無鉛焊料因過于僵硬，容易產(chǎn)生局部龜裂或?qū)~環(huán)從板面拉起造成局部扯裂的狀態(tài)。 Z 軸 CTE,al、a2CTE 為熱膨脹系數(shù)（CoefficientofThermalExpansion）的簡稱。PCB 在 X.Y.方向受到有玻纖布的鉗制，以致 CTE 不大，約在 1215ppm/C 左右。但板厚 Z 方向在無拘束下將擴(kuò)大為 5560ppm/C。Z 軸 CTE

5、 采熱機(jī)分析法（ThermalMechanicalAnalysis簡稱 TMA）量測板材 Tg 以內(nèi)的熱膨脹系數(shù)（a1-CTE）,及 Tg 以上的熱膨脹系數(shù)（a2-CTE）。目前 a1-CTE 之上限為 60ppm/C,而 a2-CTE 之上限為 300ppm/C。其中a2-CTE 更受重視。因?yàn)镻CB通孔及焊墊中銅的CTE約為1618ppm/C,與a2-CTE的差距過大容易引起通孔中孔環(huán)的斷裂（Crack）、銅環(huán)自板材拉起、局部扯裂或爆板分層（De-lamination）的情況。另外，50c260c 之 Z 軸整體 CTE 亦很重要。以 IPC4101 新規(guī)范，一般 Tg 之Z 軸 CTE

6、上限為 4%、MidTg 為 3.5%、HighTg 則為 3%。 耐熱裂時間（T260、T288、T300）乃是以 TMA 法將板材逐步加熱到 260C、288C,或 300c 之定點(diǎn)溫度，然后觀察板材在此強(qiáng)熱環(huán)境中，能夠抵抗 Z 軸膨脹多久而不致裂開，此種忍耐時問即定義為耐裂時間。目前新版 IPC 暫定一般 Tg:T260 為 30 分鐘、T288 為 5 分鐘，MidTg:T260為 30 分鐘、T288 為 5 分鐘，HighTg:T260 為 30 分鐘、T288 為 15 分鐘、T300 為 2分鐘。過去一般人的認(rèn)知，材料的耐熱性往往以 Tg 為指標(biāo)，Tg 愈高則耐熱性愈佳。不少O

7、EM、 ODM 的設(shè)計(jì)工程師亦陷入此迷思。 事實(shí)上， 此觀念不盡正確。 因?yàn)閭鹘y(tǒng)的 FR-4基材乃以 Dicy 當(dāng)硬化劑，而 Dicy 因含極性，其吸濕性高，雖然 Tg 高其耐熱性未必良好。由傳統(tǒng) FR-4 板材制作的多層板，因不耐高溫?zé)釠_擊，產(chǎn)生樹脂與銅箔分離的現(xiàn)象，俗稱分層或爆板。而針對無鉛制程開發(fā)的基材，因不使用 Dicy 作硬化劑，雖然一般或中等 Tg 亦可達(dá)到甚佳的耐熱效果。因此，研判耐熱性的好壞，以 Td 及耐熱裂時間（T260、T288、T300）較 Tg 更為貼切。除此之外，由于 PCB 及銅箔基板之絕緣層由樹脂與玻璃布所構(gòu)成，當(dāng)在高電壓狀態(tài)，通孔與通孔、線路與線路、線路與通孔

8、間形成一個電場。而 PCB 濕制程甚多，水分中或板面因清潔不良?xì)埩舻碾娊赓|(zhì)可能經(jīng)由鉆孔產(chǎn)生之微裂縫（Micro-crack）順著玻璃紗（Filament）的方向遷移產(chǎn)生短路，造成絕緣失效，此現(xiàn)像稱為 CAF（ConductiveAnodicFilament）。如果板材的吸濕性低，可降低 CAF發(fā)生的機(jī)率?？傊?，在無鉛焊組裝的沖擊下，PCB 業(yè)面臨嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。使用傳統(tǒng) FR-4 基材，因已達(dá)材料特性的極限，非?？赡馨l(fā)生板彎翹、爆板（De-lamination）、孔環(huán)斷裂、孔壁樹脂內(nèi)縮、微短路、CAF 等信賴性問題。宜慎選技術(shù)、質(zhì)量與商譽(yù)佳的基材供應(yīng)商，及早共同研擬 LeadFree 解決方案，才

9、不致落入窮于應(yīng)付的窘境。以TGA法將樹脂加熱失重5%,測得之溫度即為裂解溫度TdoTd為基材是否能通過無鉛焊接之重要指標(biāo)。以 TMA 法將基材加熱至特定溫度，能抵抗 Z 軸熱脹不致裂開的時間，亦為基材能否通過無鉛焊接的重要指標(biāo)?；脑谖?，產(chǎn)生 CAF 絕緣失效的現(xiàn)象通孔與通孔、通孔與線路、線路與線路三種典型 CAF 絕緣失效的現(xiàn)象。無鉛標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展ThomasNewton,DavidBergman,JackCrawford-IPC歐盟（EU）的 RoHS 指令（禁止在電子和電氣設(shè)備中使用六種有害物質(zhì)的指令）已經(jīng)生效，然而故事遠(yuǎn)沒有到結(jié)束的時候。鉛金屬是受 RoHS 指令禁止的六種材料中最基本

10、和研究最透徹的一種物質(zhì)。在電子組裝中，鉛可能出現(xiàn)在器件的引腳表面，也可能出現(xiàn)在印制板的焊盤上，或者用于形成焊點(diǎn)的合金材料中。更改一種焊料合金成分往往需要對器件材料和工藝同時進(jìn)行修改，以保證電子產(chǎn)品制造的可靠性。電子互連行業(yè)承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）是實(shí)施 RoHS 的基礎(chǔ)，其他相關(guān)材料限制規(guī)范也已經(jīng)在世界各地廣為生效。電子行業(yè)已經(jīng)從他們的經(jīng)歷中學(xué)到了很多，這能夠幫助帶動面向巨大變革的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。即便是積累了多年的經(jīng)驗(yàn)，挑戰(zhàn)依然存在。有些挑戰(zhàn)是來自立法上的。歐盟成員依然在對這個指令的實(shí)施進(jìn)行不屈的抗?fàn)?。在試圖回答由法規(guī)引起的一系列問題， 以及之后需要提供各種指導(dǎo)性文字 （不同的語言） 去回答這些問題方面，

11、 依然還存在著理解上的分歧多輪豁免項(xiàng)目已經(jīng)得到認(rèn)可，相關(guān)的討論也在繼續(xù)中。歐盟 RoHS 指令對全球電子互連供應(yīng)鏈的影響比預(yù)期的要大得多。可用性信息在繼續(xù)增多，然而許多企業(yè)仍然不清楚法規(guī)對他們是否有效。幫助全行業(yè)了解標(biāo)準(zhǔn)化信息是 IPC 使命的一部分。以下提供了一些新的標(biāo)準(zhǔn)和修訂的標(biāo)準(zhǔn)的信息，目的在于幫助行業(yè)達(dá)到 RoHS 的要求，更有效地在全球市場競爭中取得有利的地位。器件標(biāo)準(zhǔn)器件和工藝兼容性是一個首要的關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)闊o鉛合金往往需要更高的熔點(diǎn)溫度。鉛錫合金在 183。C就能熔化，典型工藝溫度窗口在 205-220C;而通常無鉛合金，如 SnAgCu（SAC305）,需要在 217C 才能熔化

12、，典型工藝溫度窗口在 230-250C。更好的工藝溫度要求器件供應(yīng)商對潮敏器件(MSD)的等級進(jìn)行調(diào)整。IPC/JEDECJ-STD-020 標(biāo)準(zhǔn)“Moisture/ReflowClassificationforNon-hermeticSolidStateSurfaceMountDevices,已經(jīng)就無鉛工藝帶來的需求變更做了相應(yīng)的修訂。目前修訂的文件 J-STD-020 中，特別規(guī)定了潮敏等級(MSL)測試是根據(jù)器件的厚度和數(shù)量來進(jìn)行的，并且將某些器件的 MSL 測試溫度調(diào)高到 260。C。相關(guān)的 IPC/JEDECJ-STD-033 標(biāo)準(zhǔn)文件“Handling,Packing,Shippi

13、ngandUseofMoisture/ReflowSensitiveSurfaceMountDevices,提供給器件制造商和用戶有關(guān)使用、包裝、運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化方法，以及如何根據(jù) J-STD-020 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的潮敏等級 MSL 來使用潮敏 SMD 元器件。這些提供的方法能夠避免因回流焊溫度給潮敏器件可能帶來的損害，而這些損害會導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性問題。它還提供了對超過規(guī)定存放時間的器件如何進(jìn)行烘烤處理的建議。同時它規(guī)定，從封裝之日起，在真空干包裝袋中的器件最多只能存放 12 個月，超過時限必須進(jìn)行相關(guān)處理。IPC/JEDECJ-STD-033 中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的使用將為用戶提供更多的安全無損的回流焊

14、效果。IPC/EIAJ-STD-002 標(biāo)準(zhǔn)文件SolderabilityTestsforComponentLeads,Terminations,Lugs,TerminalsandWires，已經(jīng)進(jìn)行了更新，包括針對無鉛器件引腳鍍層的新的可焊性測試規(guī)定。很多器件制造商已經(jīng)將器件引腳鍍層從鉛錫合金轉(zhuǎn)為純錫或高純度錫(95%錫含量)的無鉛鍍層。這些鍍層引發(fā)了關(guān)于錫須問題。關(guān)于錫須的存在，很多研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了積極地研究。然而，為了對各種研究進(jìn)行可行的比較，急需建立一個加速錫須生成的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。同時，制造商們需要標(biāo)準(zhǔn)的測試方法去評估采用錫鍍層器件的效果。IPC 和 JEDEC 已經(jīng)開發(fā)出對錫須進(jìn)行測

15、試的標(biāo)準(zhǔn)化方法。JEDEC 已經(jīng)發(fā)布了 JESD22A121 標(biāo)準(zhǔn)文件TestMethodsforMeasuringTinWhiskerGrowthonTinandTinAlloySurfaceFinishes，其中對錫須加速測試和定義如何檢查錫須的測試條件進(jìn)行了規(guī)定。得益于 IPC 的成果，JEDEC 出版了第二份標(biāo)準(zhǔn) JESD201aEnvironmentalAcceptanceRequirementsforTinWhiskerSusceptibilityofTinandTinAlloySurfaceFinishes。這份關(guān)于接受標(biāo)準(zhǔn)的文件將和已經(jīng)出版的測試方法文件同時使用。最后，JEDE

16、C 和 IPC 共同編寫的 JP002 標(biāo)準(zhǔn)CerentTinWhiskersTheoryandMitigationPracticesGuideline 已于 2006 年 3 月正式發(fā)布。這份指導(dǎo)文件是迄今為止對錫須問題最完善的描述。用戶最終能夠從一個完善的知識庫中獲得有益的信息，包括上面所講的兩份 JEDEC 的規(guī)范以及共同出版的指導(dǎo)性文件。這是一份不斷更新的指導(dǎo)文件，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的增加和合并情況會進(jìn)行頻繁的修訂。我們相信，最終文件上的mitigation(減輕)一詞將更換為elimination(消除)，而文件的名稱guideline”指導(dǎo)書)也將轉(zhuǎn)換為specification(規(guī)范)

17、。然而，每一個參加修訂工作的人員都清楚，要實(shí)現(xiàn)最終的“specification”(規(guī)范)目標(biāo)還需要很長的一段時間。印制板設(shè)計(jì)規(guī)范許多公司都在詢問，IPC 設(shè)計(jì)規(guī)范是如何根據(jù)無鉛焊接的要求進(jìn)行更新的，尤其是 SMT 焊盤類型的設(shè)計(jì)形狀。回答是 IPC 不會修改設(shè)計(jì)規(guī)范，即便是因?yàn)闊o鉛而產(chǎn)生的需求。在 IPC-7351A“GenericRequirementsforSurfaceMountDesignandLandPatternStandard 標(biāo)準(zhǔn)中彳艮清楚地表明,無論是鉛錫還是無鉛焊接，表面貼裝都將采用同樣的焊盤設(shè)計(jì)。采用 IPC-7351A 標(biāo)準(zhǔn)，在 SMT 上無鉛和鉛錫焊接沒有任何區(qū)別，

18、所以就沒有必要再作尺寸上的修改。絲網(wǎng)制作新的修正版本即將發(fā)布，屆時將采用 IPC-7525A“StencilDesignGuidelines 標(biāo)準(zhǔn)為無鉛工藝提供相關(guān)建議。作為通用的設(shè)計(jì)指南，絲網(wǎng)開口尺寸將與板子焊盤的尺寸相當(dāng)接近，這是為了保證在焊接后整個焊盤擁有完整的焊錫?；⌒蔚倪吔窃O(shè)計(jì)也是可以接受的一種，因?yàn)橄鄬τ谥苯堑脑O(shè)計(jì)，它更容易解決焊膏粘連的問題。光板規(guī)范對于印制板表面處理來講，制造商有很多可能的選擇，而且?guī)缀跛械倪x擇都會使用到無鉛組裝中去。這些鍍層是根據(jù)應(yīng)用的需要和企業(yè)的喜好來選擇的。無鉛焊錫熱風(fēng)整平(Hotair,leadfreesolderleveling；HASL),浸錫(i

19、mmersiontin),浸銀(immersionsilver),OSP(organicsolderabilitypreservative)和ENIG(electrolessnickel/immersiongold)等各種方式已經(jīng)被成功用于無鉛組裝中去。IPC已經(jīng)發(fā)布了三個有關(guān)鍍層的標(biāo)準(zhǔn)，分別是IPC-4552SpecificationforElectrolessNickel/ImmersionGold(ENIG)PlatingforPrintedCircuitBoards的標(biāo)準(zhǔn)ENIIPC-4553“SpecificationforImmersionSilverPlatingforPrint

20、edCircuitBoards 浸銀的標(biāo)準(zhǔn)，以及有關(guān)浸錫的標(biāo)準(zhǔn)IPC-4554。序列中有關(guān) OSP 的第四個標(biāo)準(zhǔn) IPC-4555 也即將完成。IPC/EIAJ-STD-003B“SolderabilityTestsforPrintedBoards,也已經(jīng)完成了針對無鉛鍍層光板可焊性測試的標(biāo)準(zhǔn)的更新。無鉛組裝材料認(rèn)證IPC 已經(jīng)修訂了一批與電子組裝有關(guān)的材料的焊接標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于測試方法的更新正在進(jìn)行中，對應(yīng)文件是J-STD-004ARequirementsforSolderingFluxes;而文件 IPCHDBK-005GuidetoSolderPasteAssessment 則是對J-STD-

21、005aRequirementsforSolderingPastes 支持和應(yīng)用方面的標(biāo)準(zhǔn)文件，并集成了無鉛材料的具體信息；標(biāo)準(zhǔn)文件J-STD-006RequirementsforElectronicGradeSolderAlloysandFluxedandNon-FluxedSolidSolders 集城了大量的無鉛合金數(shù)據(jù)，包括一張最新 ISO 認(rèn)可合金與在J-STD-006B 定義的合金之間關(guān)聯(lián)的對照表。無鉛組裝標(biāo)準(zhǔn)IPC 什么時候?qū)o鉛組裝要求給出標(biāo)準(zhǔn)？答案是：去年！IPC-A-610DandIPCJ-STD-001D 包含了對無鉛焊接的要求?；A(chǔ)層面上，在焊點(diǎn)潤濕和成型方面沒有太多的

22、差異；然而，在外觀上確實(shí)還是存在一些差別的。通常，可接受的無鉛焊點(diǎn)與鉛錫焊點(diǎn)呈現(xiàn)相似的外觀，但是無鉛合金焊點(diǎn)往往具有更加粗糙的表面(灰暗或者鈍化)，有明顯的冷卻線(coolinglines)以及潛在的不同潤濕分布。無鉛焊點(diǎn)經(jīng)常具有更大的接觸角，但需要強(qiáng)調(diào)的是，90o 的焊角需求與鉛錫焊點(diǎn)是沒有差異的。無鉛焊點(diǎn)有一些獨(dú)特的可接受特性，比如焊腳翹起(從焊點(diǎn)的底部到焊盤的表面分離)，比如熱斷裂或者收縮孔。還有需要考慮的是，雖然目前仍然沒有明確的數(shù)據(jù)可以表明空洞和連接失效之間的明確關(guān)系，但事實(shí)上 BGA 的空洞現(xiàn)象增加會帶來一些潛在的產(chǎn)品可靠性風(fēng)險(xiǎn)。無鉛標(biāo)簽現(xiàn)存的用于標(biāo)識無鉛器件和無鉛焊接的 IPC

23、和 JEDEC 標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)是 JESD97aStandardforMarking,SymbolsandLabelingforLead-freeAssembliesandComponents 禾仃 IPC1066StandardforLead-FreeLabelingIPC-1066 不僅含有無鉛標(biāo)簽的信息，而且包括對無鹵素(HalogenFree,HF)和涂覆材料的標(biāo)簽要求。這些標(biāo)準(zhǔn)正在被整合到新的標(biāo)準(zhǔn) J-STD-609 中去。敷銅層壓無鉛制造往往需要更高的工藝溫度。多年來，器件制造商們發(fā)現(xiàn)，由于更高溫度的需求，他們的產(chǎn)品已經(jīng)被拉到了極限的邊緣。經(jīng)過艱巨的標(biāo)準(zhǔn)化工作，大多數(shù)器件供應(yīng)商看起來已經(jīng)

24、能夠適應(yīng)無鉛焊接提出的更高溫度的要求。接下來的幾年，PCB 制造商們開始去了解他們現(xiàn)有的敷銅層壓(CCL)技術(shù)是否能夠在更高的工藝溫度下幸存。2006 年 6 月 12 日，IPC 發(fā)布了 IPC-4101BSpecificationforBaseMaterialsforRigidandMultilayerPrintedBoards 標(biāo)準(zhǔn)。這個修訂版含有 6 種與 CCL 相兼容的 FR4 無鉛組裝材料特性表。由于更高的工藝溫度，無鉛 CCL 特性需要在熱阻抗，Z 軸方向的延伸以及層間支持方面做出改善。有一些新的測試方法去評估這些更高要求的特性。這些新的材料文件包括了與無鉛組裝兼容的 FR4

25、基材相關(guān)的新的特性表。這些特性給出了一些現(xiàn)有 FR4 基材所不具有的認(rèn)證和周期性確認(rèn)需求，包括 Td(分解溫度)，分層時間(T260,T288,T300)和 Z 方向的熱膨脹系數(shù)。這些新的等級材料，在熱性能和物理性能方面更加強(qiáng)大，更適合無鉛組裝并提供了更寬的工藝窗口。具體的信息可見下面不同材料的特性清單：IPC-4101B/99 高 TgFR-4,inorganicfillers,brominatedflameretardantIPC-4101B/101 低 TgFR-4,inorganicfillers,brominatedflameretardantIPC-4101B/121 低 TgFR

26、-4,nofillers,brominatedflameretardantIPC-4101B/124 高 TgFR-4,nofillers,brominatedflameretardantIPC-4101B/126 極高 Tg,inorganicfillers,brominatedflameretardant極高 Tg,nofillers,brominatedflameretardant這些特性表擁有共同的關(guān)鍵字無鉛 FR4”。那么其他 FR4 材料可以用于無鉛組裝嗎？回答是可以。還有除了 FR4 材料之外的其他基材可以用于無鉛組裝嗎？回答也是可以。IPC 總是采取最適合使用”的觀點(diǎn)去評價特定的基材。有一點(diǎn)是明確的，目前有更多的廠家關(guān)注在層壓材料上。IPC 將繼續(xù)在 CCL 領(lǐng)域進(jìn)行研究和標(biāo)