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从理论上来讲，焊料、元件、PCB全部无铅化的效果{zh0}。但目前由于种种原因，尤其是元件方面还不能实现全部无铅化。通过前两期的介绍使我们了解到：有铅和无铅混用时，无论是有铅焊料与无铅元件还是无铅焊料与有铅元件混用，都可能发生焊料合金与焊端或引脚镀层、焊料合金与PCB镀层、元器件与工艺、PCB材料及涂镀层与工艺不相容的问题。因此过渡阶段有铅、无铅混用必须注意材料的相容性。 过渡阶段可能会发生的问题 (1) 高温可能损坏元器件封装体及内部连接 (2) 高温可能损坏PCB（PCB材料及涂镀层与无铅工艺不相容） (3) 高温对潮湿敏感元件的不利影响，可能造成爆米花现象 (4) 焊料合金与元件焊端或引脚镀层不相容，造成连接可靠性问题 无铅焊料与有铅元件（无引线或有引脚元件）混用时，焊端或引脚镀层中微量Pb在无铅焊料与焊端界面容易发生Pb偏析现象，形成Sn-Ag-Pb的174℃的三元共晶低熔点层，可能发生焊缝起翘Lift-off现象，影响焊点可靠性； 有铅焊料与镀Sn-Bi无铅元件混用，在焊接界面形成Sn-Pb-Bi（熔点93℃）的三元共晶低熔点层、容易引起焊接界面剥离、空洞等问题，导致焊接强度劣化； 42号合金钢与Sn系合金一般能形成良好的界面，但加入Bi会发生界面偏析，因此加入Bi会造成连接强度明显降低。 (5) 焊料合金与PBGA、CSP焊球合金不相容 无铅焊料与有铅PBGA、CSP混用时，焊点中气孔（空洞）多； 有铅焊料与无铅PBGA、CSP混用时，如果采用有铅焊料的温度曲线，容易造成PBGA、CSP一侧焊点失效； 无铅焊料与有铅PBGA、CSP混用或有铅焊料与无铅PBGA、CSP混用，回流焊后形成新锡球内部合金成分的不均匀性对可靠性的影响。这个问题已经被提出来了，但是这种混合焊球是否影响可靠性，如何影响可靠性等可能出现的问题，目前还没有结论。 (6) 有铅元件、镀Sn-37Pb的印制板与无铅波峰焊工艺不相容 无铅波峰焊不能使用有铅元件和镀Sn-37Pb的印制板，一方面容易发生焊缝起翘Lift-off现象，还会造成Pb污染。 (7) 各种工艺之间的不相容性 在同一块组装板上可能要经过双面回流；或一面回流一面波峰；或同一面要经受2次回流；或同一面要经受1次回流一次波峰；或在同一块组装板上要经过回流、波峰、手工焊、返修等工艺。因此同一快组装板上可能会用到多种合金和助焊剂。如果每一种工艺的合金使用不当，可能会发生二次熔锡问题。 例如回流焊与波峰焊混合工艺，如果采用了有铅和无铅两种焊料，那么可能发生二次熔锡；甚至即使双面都采用SAC焊料。如果波峰焊温度过高也容易发生二次熔锡问题。 (8) 各种助焊剂之间的不相容性 在同一块组装板上不同的工艺，如果采用了多种助焊剂，可能会发生多种助焊剂之间的不相容性。回流焊、波峰焊、返修形成的助焊剂残留物，在潮湿环境和一定电压下，导电体之间可能会发生电化学反应，引起表面绝缘电阻（SIR）的下降，造成电迁移（俗称“漏电”）的风险。 过渡阶段有铅、无铅混用必须注意各种相容性问题 过渡阶段有铅、无铅混用必须注意以下各种相容性问题。 ⑴ 材料相容性 ? 焊料合金和助焊剂 ? 焊料和元器件 ? 焊料和PCB焊盘涂镀层 ⑵ 工艺相容性（再流焊、波峰焊和返修工艺） ⑶ 设计相容性 过渡阶段有铅和无铅混用问题的应对措施 过渡阶段有铅和无铅混用的情况可能还会存在较长的时间。从以上介绍的内容中可以看到：有铅和无铅混用时，无论是有铅焊料与无铅元件焊接，还是无铅焊料与有铅元件焊接，为了获得可靠的焊接界面连接（合格的焊点），与有铅工艺相比较都存在“高温”的问题，如果焊接温度不足，焊接界面不能生成金属间合金层，就会造成连接可靠性问题；如果焊接温度过高，除了由于金属间化合物层过厚而使焊点变脆外，还可能造成损坏元器件和印制板；有铅和无铅混用时除了以上“高温”带来的问题外，还可能发生焊料合金与焊端或引脚镀层、元器件与工艺、PCB材料及涂镀层与工艺不相容等情况。目前有不少企业有铅、无铅两种工艺并存，如果控制不当都可能会发生严重的可靠性问题。过渡阶段无铅焊接、有铅无铅混用的可靠性问题值得警惕和研究。 企业必须加强无铅生产物料管理，从无铅元器件、PCB、工艺材料的标识、储存、在线控制直到无铅成品的出厂发运等方面认真考虑实物流动的管理, 建立无铅物料管理制度与措施； 还要注意对全线人员进行培训；同时，过渡阶段要按照正确的工艺方法把工艺做得更细致一些。 过渡阶段有铅和无铅混用问题的应对措施 ⑴ 加强物料管理 (a) 元器件采购技术要求 对采购部门进行ROHS的培训，要求加强对上游供应商的管理。 (b) 备料 首先备料要注意元器件的焊端材料是否无铅，如果是无铅元器件，一定要弄清楚是什么镀层材料，特别是BGA\CSP和新型封装的器件，例如QFN等(有铅工艺也要注意)。 BOM表上必须标注的内容包括：焊端表面镀层材料、{zg}耐受温度和时间、潮敏度等级。 (c) 标识和标签 应给无铅元器件、PCB、工艺材料(包括焊膏、焊锡条、焊锡丝、助焊剂)，还包括更改了开口尺寸的模板做无铅标识和标签。在收货及来料检验阶段，企业应加强管理，确保不会造成混淆。如果条件许可，应设置自己内部专用的无铅元器件和无铅产品标识和标签，贴在包装箱上，半成品上，或完工的产品上，使企业内部人员很方便地分辨出无铅元器件和无铅产品。 (d) 规定无铅元器件编号方式 (e) 识别 对生产线操作人员进行培训，提高识别能力。 (f) 材料管理自动化 生产过程中可以用手工扫描条形码标签，也可以通过贴片机上的RFID智能供料器识别，实现材料管理自动化。 (g) 生产线设置验证 为了防止贴片机上装错元件或拿错焊膏等材料，而造成不必要的损失，应对生产线的设置通过手工、半自动、或闭环验证。 (h) 可追溯性与材料清单 可追溯性要求对每一块组装板编一个{dywe}的序号，然后将这块组装板上所有元器件以及组装工艺的信息记录在案，一旦出现问题，很容易追溯到问题的根源。这种管理上当前{zxj}的方法，但需要很大投资。 (i) 无铅元器件、PCB、工艺材料的储存 在储存方面，企业可以考虑设立单独的无铅工艺材料、无铅元器件、用于无铅的模板、工具仓库，或从现有的仓库划出相当的空间用于无铅物料、工具等物品的储存。 还要注意对湿度敏感器件(MSD)采取正确的控制措施。 (j) 无铅的专用工具 必须具备无铅专用模板、烙铁或焊台、镊子、刷子等工具，并做标识。 (k) 设立无铅手工焊接的专用工位 ⑵ 加强静电防护与管理措施 ⑶ 对湿度敏感器件(MSD)的控制措施 ⑷ 对全线人员进行培训，提高对各种和标签的识别能力，并自觉遵守无铅管理制度 ⑸ 过渡阶段要按照正确的工艺方法把工艺做得更细致一些 从产品设计开始就要考虑到符合RoHS。工艺方面包括：选择最适合无铅的组装方式及工艺流程；选择元器件、PCB、无铅焊接材料；对印刷、贴片、再流焊、波峰焊、手工焊、返修、清洗、检测等制造过程中所有工序都应该按照正确的工艺方法进行全过程控制。 ⑹ 过渡阶段要按照正确的工艺方法把工艺做得更细致一些 ? 正确选择组装方式及工艺流程； ? 正确选择无铅合金、助焊剂和焊膏； ? 正确选择PCB材料及焊盘涂镀层； ? 正确选择无铅元器件； ? PCB设计时充分考虑工艺性； ? 更加xx地提高印刷和贴装精度； ? 更加细致地控制再流焊、波峰焊、手工焊、返修等各种工艺。 总之，在过渡阶段，要了解无铅焊接的机理、工艺特点和工艺要求，严格管理，特别是物料管理，按照正确的工艺方法把工艺做得更细致一些。就能顺利地从有铅产品向无铅产品转换。 过渡阶段对获得免除RoHS的高可靠产品的一点建议 通过以上对过渡阶段有铅、无铅混用制程与可靠性分析中可以清楚地看出： 无论是有铅焊料与无铅元件还是无铅焊料与有铅元件混用，都可能发生焊料合金与焊端或引脚镀层、焊料合金与PCB镀层、元器件与工艺、PCB材料及涂镀层与工艺不相容的问题。过渡阶段除了可能发生以上不相容的问题外，还可能会发生高温可能损坏元器件、损坏PCB，电气可靠性等问题。 因此，对获得豁免的高可靠产品，在过渡阶段提出如下建议： ⑴ 暂时不建议采用无铅工艺 如果决定实施无铅工艺，建议选择Sn-3.5 Ag二元共晶合金。其主要理由是Sn-3.5 Ag合金已在某些高可靠电子领域应用了很长的时间，已经完成了大量测试，并且已被高可靠领域广泛接受。例如福特汽车公司对使用Sn-3.5 Ag合金的测试板和实际电子组件进行了热循环试验(-40℃～140℃)和全面热疲劳测试研究，并将无铅组件用于整车中，测试结果显示Sn-3.5 Ag合金的可靠性与Sn-37Pb共晶合金相差无几甚至更好。摩托罗拉公司也已经完成了Sn-3.5 Ag和Sn-37Pb合金的热循环和振动研究，测试表明Sn-3.5 Ag合金xx合格，其它OEM厂商在各自的Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金研究中也得到了类似的结论。使用Sn-3.5 Ag合金要求回流焊温度比Sn-37Pb合金高20～30℃，因此回流焊对元件的要求也有所提高。目前无铅元器件的耐高温也已经提高到250～260℃了。 特别注意：如果决定实施无铅工艺，一定要做可靠性认证。 ⑵ 严格物料管理（按照前面介绍的要求） ⑶ 采用有铅工艺原则 ① 焊料：选择Sn-37Pb共晶焊料 ② PCB焊盘涂镀层的选择 PCB焊盘涂镀层是根据焊料和工艺选择的。应选择与传统有铅工艺相容的涂镀层材料。 一般组装密度：选择Pb-Sn热风整平法（HASL），因为HASL与Pb-Sn焊料最相容。 高组装密度：选择化学镀镍-金（ENIG） 化学镀Ni-Au是指PCB连接盘上化学镀Ni(厚度≥3um)后再镀上一层0.05～0.15um薄金，用于焊接的Au镀层最多不要超过0.3um。选择ENIG，一定要保证ENIG的工艺质量， ③ 元器件的选择 尽量选择有铅元件； 对于那些镀Sn焊端的有引脚和无引脚无铅元件，因为Sn与Sn-Pb焊料焊接时是兼容的，至于镀Sn焊端的锡须问题，可以通过对组装板的“敷形涂覆”工艺（俗称“三防”工艺）来解决；但是要特别警惕混入镀Sn-Bi元件。 对于无铅PBGA、CSP，可以将无铅焊球去除，重新植Sn-Pb焊球。但建议一定要对“含铅器件转换为无铅器件”的工艺、可靠性与可行性进行研究。对“转换”工艺和可靠性进行立项研究，并制订“转换”规范，确保“转换”后的可靠性。 因为获得免除RoHS的军事、航空航天、医疗等产品，可靠性是{dy}位的。在过渡阶段买不到有铅元件的情况下，如何保证高可靠要求产品的长期可靠性问题值得研究。 随着电子产品无铅化的深入，相信不久的将来会推出有效的措施来解决高可靠产品有铅、无铅混用的问题。高可靠产品能否开发替代无铅的新工艺,开辟新的绿色制造的途径，也有待研究。 加强基础材料、无铅工艺、无铅可靠性的研究，努力开辟新的绿色制造的途径 绿色制造、执行RoHS与WEEE指令、电子产品无铅化、已经成为全球共识。因此电子产品无铅制造已成定局，势在必行。 目前我国已经成为世界电子制造大国，设备已经与国际接轨，但设计、制造、工艺、管理技术等方面与国际还有差距。为了尽快地缩小、xx差距，我们电子制造业也必须转入科学发展轨道。 “科技出效益，创新促发展”是真理。我们要加强基础理论、基础材料、无铅工艺、无铅可靠性的研究，努力开辟新的绿色制造的途径。为此提出如下建议： ⑴ 加强基础理论研究 ⑵ 加强无铅工艺研究 ⑶ 加强无铅焊料、元器件、PCB等基础研究 ⑷ 加强无铅焊接可靠性研究 ⑸ 过渡阶段加强有铅无铅混用工艺与可靠性研究 例如，PBGA、CSP有铅无铅混用工艺时，由于回流焊以后，器件的焊球与焊料将熔融为一体，形成一个新的完整焊球。因此无论无铅焊料与有铅PBGA、CSP混用或有铅焊料与无铅PBGA、CSP混用，回流焊后形成新锡球内部合金成分的不均匀性，尤其在焊球高度方向合金成分的不均匀性对可靠性的影响。这个问题已经被提出来了，但是这种混合焊球是否影响可靠性、如何影响可靠性等，目前还没有结论。 ⑹ 把“含铅器件转换为无铅器件”的工艺、可靠性与可行性的研究 最近美国E-Certa公司发表了一条 “含铅器件可以转换为无铅器件”的{zx1}信息： 由E-Certa公司和Sanmina-SCI联合进行的一项研究表明，通过把含铅器件转换为无铅器件，有可能在消费电子级产品中再次利用。许多公司有几百万美元含铅器件的剩余库存，通过把这些器件转换为无铅器件，是遵循WEEE指令“重复利用、再利用”倡议，E-Certa还发布了一个媒体信息系列视频读物，概要介绍了把含铅器件转换为无铅器件的工艺。该系列还介绍了把无铅器件逆向转换为军事、航空航天、医疗或免除RoHS应用的含铅器件的工艺。 我认为，目前我们的上游——元器件基本已经实现无铅化的条件下，尽管是获得免除RoHS的产品，但是已经买不到含铅元器件了。如果采用无铅焊接，无铅产品的长期可靠性还有不确定的因素；而继续采用有铅工艺，又存在有铅焊料与无铅焊端材料不相容的可靠性问题。这种情况下开发第三条路：开展“含铅器件转换为无铅器件”的工艺、可靠性与可行性的研究是很有必要的。因为对于无铅元件本身来说，其可靠性应该比含铅元件高，尤其耐高温性能更优于含铅元件；而从无铅元件的外部焊端分析，对于那些有引脚和无引脚的镀层元件，因为无铅元件引脚和焊端镀层非常薄，只有几微米厚，而且大多是镀Sn焊端，与Sn-Pb焊料焊接时是兼容的，至于镀Sn焊端的锡须问题，可以通过对组装板的“敷形涂覆”工艺（俗称“三防”工艺）来解决。但是有一点要特别警惕！镀Sn-Bi元件只能应用在无铅工艺中，不能用到高可靠产品的有铅工艺中。 有铅工艺与无铅PBGA、CSP的焊球焊接的长期可靠性有不确定的因素，可以将无铅焊球去除，重新植Sn-Pb焊球，这样就可以解决当前买不到有铅PBGA、CSP的问题了。 但建议一定要对“含铅器件转换为无铅器件”的工艺、可靠性与可行性进行研究。尤其在军工、航天航空等高可靠要求的企业，对“转换”工艺和可靠性进行立项研究，并制订“转换”规范，确保“转换”后的可靠性。 ⑺ 开发替代无铅的新工艺，开辟新的绿色制造的途径 最近有报道介绍了“无焊料电子装配工艺——Occam倒序互连工艺”。此工艺是一种倒序互连工艺，它不使用焊料（无焊料），简化了制造过程，xx改变了电子产品的制造方法，因而极具发展前景。 倒序互连工艺的好处： ① 无焊料电子装配工艺 ② 无需使用传统电路板 ③ 采用了许多成熟、低风险和常见的核心处理技术 ④ 简化了组装工艺并能够降低制造成本 ⑤ 此工艺制造的产品预计将更加可靠 倒序互连工艺对于高可靠产品或许是绿色制造和高可靠的途径。 小结 目前正处于从有铅向无铅过度阶段，有不少企业有铅、无铅两种工艺并存。 已经实施无铅工艺的要注意无铅产品的可靠性问题及铅污染的问题，确保无铅产品符合RoHS。 对于还没有实施铅工艺，甚至对于那些获得法规豁免的企业（行业），更要注意混用产品的可靠性问题。 只要严格管理，并掌握正确的工艺方法，把工艺做得更细致一些，有铅产品可以顺利地过渡到无铅产品。 |
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