大批量制造环境中RoHS的执行与符合

George Liu,MengTom Cheng,Raymond Yeung 和 BabHui Lee 伟创力实业(珠海)有限公司
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引言

如何向RoHS指令的执行机构及客户证明自己已达到该指令的要求,是目前厂商工作的重点。为确定特定实施细节,欧盟委员会成立了一个由欧盟各成员国代表所组成的“技术协调委员会 (TAC,Technical Adaptation Committee)。

T A C 的任务是建立一个可确保满足RoHS禁用物质规定的流程,其中一项内容就是制定一种用于RoHS符合和执行的方法。所讨论的选项包括:厂家自申明、供应链申明,以及市场抽查等。

英国提出了一种“自申明”(”due diligence”)方法,并可能被其他欧盟成员国所采用。与希望制造商证明其所采购的每个部件都不含RoHS规定的有害物质不同的是,欧盟各成员国可能希望建立一种报备证明文件并可审核的系统,来防止不符合要求的制造商的产品进入欧盟市场。如果采用这种方法,则必须制定、实施并验证一种共同的RoHS符合策略。

目前,很多RoHS实施问题仍有待解决。TAC虽未给出明确的方向,但{zh1}期限却在逐步临近,且整个行业还必须向前推进。由于缺乏明确定义的法规或指导性文件,因此采用了xxxx企业常见符合性措施的{zj0}管理实践,可能会是一种有价值的企业策略。

RoHS的执行与符合

为充分遵守我们承担的法律义务,并确保对客户希望符合/达到RoHS要求提供必要的支持,伟创力公司采取了积极主动的姿态,并制定了相应的RoHS实施策略与方法。该方法可概述为3PTMAC,其中1st P({dy}步) 代表无铅工艺开发、2nd P(第二步)代表无铅工艺审查(工厂审查)、3rd P(第三步)代表RoHS工厂审查(RoHS生产切换)、T代表培训、M代表监控、A代表审核,C代表控制。

1st P({dy}步):无铅工艺开发

与低温共晶锡铅合金相比,S n A g C u焊料的熔点更高、湿润性更差。通常,典型的SnAgCu合金熔点介于215~220oC之间,且推荐的回流工艺峰值温度为235~245oC,高于低温共晶锡铅焊料峰值温度20~30oC。更高的回流温度给电子制造工艺及供应链带来了一系列的问题与变数。图1显示无铅焊料的影响。

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充分了解无铅焊料替换对制造工艺的意义极为重要。工艺开发应以一种系统的方式进行,以便找出无铅实施的指导方针。其中一些需要深入调查与了解的问题可分为以下几类:

1. 设计

·PCB设计/布局更改

·工具/夹具设计更改

2. PCB、器件与消耗品

·PCB层压材料的选择

·对PCB表面处理工艺代替锡铅HASL 工艺

·无铅组装工艺条件下的器件有效性与从新审查

·无铅焊料合金选择

·对所选无铅焊料合金的可靠性研究

·无铅焊膏选择

·无铅焊料棒选择

·无铅波峰焊助焊剂选择

·无铅返修材料选择

·兼容性(向后及向前)管理

3.工艺

·回流焊工艺(对回流曲线的要求如何;工艺窗口的大小?)

·波峰焊工艺(对波峰焊接曲线的要求如何;无铅焊料槽的维护有何不同?)

·返修工艺(对返修曲线的要求如何?)

4. 设备

·无铅工艺(更高的温度)对回流炉、波峰焊设备和返修设备的影响

·无铅制造工艺中的设备能力

·对测试与检查设备及程序的影响

5. 质量

·能否在无铅环境中使用目前的工作质量标准?

·切换到无铅工艺后的良率如何?

·可靠性的变化

6. 成本

·制造材料成本是否会增加?

·由更高温度所引起的能耗成本增加对于总体制造成本来说很大吗?

·由无铅工艺可能的良率下降所增加的成本如何?

以上研究工作可由一个团队来执行,并可将研究成果通过培训及信息共享,运用到单个工厂/全球各地制造厂。兼容性问题是我们需要在以下几方面进行考虑的主要问题,包括:材料兼容性(焊料与PCB)、器件兼容性(向后/向前)与供应链管理、设计兼容性、工艺兼容性(回流、波峰焊与返修)、设备兼容性及可靠性兼容性(电化学、机械热力学与机械动力学)等。器件兼容性是我们面临的一个复杂问题,尤其是在过渡期内,当锡铅和无铅材料都有时。正如在EMSF指导书中所指出的那样,BGA向后不兼容,这意味着由于存在以下几个问题,即:自对中效应不显著、共面性不好、焊接界面差以及空洞图 2. 空洞产生(锡铅BGA, 无铅焊膏)排气空洞PBGASnPbSnAgCu焊膏PCB等,致使无铅焊球的器件不能与锡铅焊膏一起使用,除非回流温度增加至225-235oC——高于典型的锡铅回流温度。在锡铅BGA在无铅工艺中组装时,空洞是一个大问题。空洞产生过程如图2所示。

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在回流焊接过程中,焊料中的助焊剂的挥发会产生空洞。焊球一达到熔化温度,所产生的大量助焊剂挥发物质就会进入到熔

在我们将一种移动电话产品工艺从锡铅转换到无铅工艺时,我们即会遇到这种情况(用锡铅BGA和无铅焊膏,我们将其称为混合技术)。0.5mm间距CSP上过大的空洞和连焊所引起的缺陷,是刚开始时最容易出现的两个问题。我们进行了一项简单的焊膏选择研究来减少空洞及提高良率。研究流程图如下:

回流曲线信息列于表2中,表3给出了相应的良率与空洞率。大多数焊料空洞与桥连缺陷都发生在细间距 (0.5mm) BGA与CSP上,尤其是带VIP(焊盘中微孔)设计的细间距BGA及CSP上。但这对间距大于0.5mm的BGA来说并不是一个关键问题。图片2显示带VIP设计的BGA中的空洞截面。

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从良率与空洞结果上我们不难看出,焊膏D是混合技术中空洞性能{zh0}的一种焊膏。

焊膏B 中的助焊剂含量虽然从11.6%减至焊膏C拥有的10.7%,但其平均空洞率并未像预期的那样减少。可见减少助焊剂含量对改善焊料空洞性能几乎没有什么帮助。因此我们能得出一个简单的结论,即:混合技术中的空洞主要取决于焊膏类型与焊盘设计。

2nd P(第二步):无铅工艺审查(无铅工厂审查)

无铅工厂审查采用同样的测试设备与验收标准,并按一个正式程序、采用一种非常系统的流程、并根据统计数据(Cpk、DPMO及可靠性)及一个“展示能力”模型来对工厂进行审查。一个由来自全球多家工厂及不同职能部门(包括设计、采购、工艺工程、质量、材料处理与研发等各个部门)的代表所组成的全球小组,已参与帮助加快企业有关无铅技术知识的学习。

通过无铅工厂审查,工厂代表(包括来自工艺、设计、质量、采购、材料处理、生产线操作等部门的代表)接受了有关无铅工艺转换过程中的设计、材料与工艺知识方面的培训。同时还向工厂符合实施小组提供了有关工艺开发方面的知识。工厂审查验收根据工艺能力及培训进行,关键是“展示的能力”。工厂审查程序包括“无铅SMT与返修”与“无铅波峰焊”等,已由企业技术组编写了相关详细说明。工厂通过使用已审查设备进行的试运行来展示其在无铅SMT、波峰焊接及返修方面的能力。

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3rd P(第二步):RoHS工厂审查(RoHS生产切换)

R o H S 几乎影响到运作的各个方面。我们应该用一种系统的策略来更新我们目前的业务模式,以xxRoHS符合的要求。对于PCBA来说,无铅装配的实际能力是RoHS生产切换的前提条件。下面我们将讨论一种RoHS生产切换策略。

RoHS生产切换程序可简单地描述如下:

a. 成立工作组

b. 利用合适的工具来进行差距分析

c. 制定缩小差距的节点计划

d. 执行计划

e. 系统审核

f. 签署审查证书

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最重要的是要将RoHS符合性策略贯彻到公司的整个运营过程中。我们会看到实施RoHS需要更新以下三个主要方面:

1.成立一个符合性实施小组

该小组应由来自各部门的人员组成,且他们应定期会晤以评估执行RoHS对当前及未来生产的影响,并执行企业实施组的指示。该小组应包括工程、采购、法律、营销、设计及生产等部门的人员。

2. 制定一个企业RoHS符合性策略与节点计划(时间表)

企业小组的首要任务是撰写一份企业符合性声明,用来表明企业对按时实施RoHS的承诺与准备达到的目标。声明可以是一页简单的文件,以表明企业准备“明确地遵守我们承担的法律义务”,“并保证对客户希望符合/达到RoHS要求提供必要的支持”,它还应包括符合日期。正式文件用来回答客户有关RoHS实施的询问。

3. 制定客户沟通策略

需开发一套客户沟通工具,以定义我们的责任,我们希望客户为支持RoHS符合所需完成的工作,以及我们的进度安排等。

4. 供应商审查

制定一个有关供应商信息的文件包,供采购人员使用,并在进行采购决策时提供有关供应商是否满足RoHS要求的文件。我们应对供应商的资格进行审查,以通过供应商审核或调查来确定其RoHS准备度水平。

5. 业务系统更新

(1)制造商的料号

我们应要求所有器件与易耗品供应商在其将产品与器件转换成RoHS符合时,都更改其产品料号,因为符合与非RoHS符合的材料拥有同样的产品料号,将导致生产时错用材料的风险。

(2)客户的料号

我们应该与我们的客户进行及时沟通,要求他们在其将产品从不符合要求转换到符合要求时,更改其可用BOM器件的料号 (CPN) 。保证我们在工厂的所有工艺流程中拥有RoHS符合器件的{wy}CPN非常关键。几乎所有材料管理,如入库材料、生产材料、材料检查单及其他材料等,均应用CPN来作为标识。如果没有{wy}的标识(CPN更改),将会导致以下一项或几项错误行动:

  • 清理与分离旧库存管理易耗品清单(FIFO)管理过剩与废弃 (E&O) 的旧库存等

尽管在所有情况下都必须进行E&O分析与管理,但符合与不符合要求的材料拥有同样的CPN会导致在生产中使用错误材料的危险。因此,正确的清理与分离非常重要。

(3) 材料符合性信息数据库

重要的是要了解供应商所提供的产品中使用了哪些物质,以及有关材料工艺数据的信息。根据行业标准及客户要求所设计的材料申报项目表可用来获得这些信息。企业必须建立一个数据库,用来载入有关供应商及其产品的相关信息,以便我们能用它来确定材料的符合性。数据库应能在整个生产过程中共用。所有部门均应能访问该数据库,以便获取料号、搜索供应商、清理BOM以及设置工艺流程等。

(4) ERP系统

我们{zh0}能在ERP系统中标记材料的RoHS符合状态,以便确定这种材料是否RoHS符合并已获批准。

(5) ECO程序

对客户文件及其产品的任何更改均应该是正式的,并符合正常业务工作程序。标准ECO程序应更新为:适应在管理一项RoHS符合更改时可能遇到的各种情况。

6. 材料

生产中的RoHS符合将从材料验收开始,在此处可根据是直接还是间接(材料清单上没有)材料来区分其是否为合乎要求的材料。这些新材料可能需要进行测试检验,从而需要一定的手段和程序。

(1) 输入质量检查

必须在材料可被接受并进行储存与使用前,进行材料符合性检查。输入检查或接收检查程序需更新为包括{zd1}要求即:CoC(符合证书)、实验室测试报告与符合性标记。通常,当产品中所使用的每种元件按首检程序接收时,都要生成首检报告。

一旦进入生产,应采用标准工艺控制措施来管理与例行生产风险有关的材料。应规定非BOM材料的特殊标记,以将其与其他产品分开并确保符合行业标准的相关要求。

(2) 入库与储存

R o H S 符合和/ 或无铅B O M “ 直通”(direct)材料,不需要特殊的储存管理或区分,只要器件或产品拥有{wy}的客户料号即可。对R o H S符合的器件来说,一个特别需要注意的问题,是对潮湿敏感器件的处理,因为对RoHS符合的器件来说,其潮湿敏感等级会有变化。

(3) 直接采购的材料

当我们进行采购时,如果有机会在RoHS符合的器件与非RoHS符合的器件之间进行选择的话,我们应总是优先购买RoHS符合的器件,因为这样,我们就可能减少未来材料过剩与废弃的风险。我们还{zh0}以产品切换来为客户服务并减少潜在的材料责任。

(4) 辅料管理

辅料有可能在其作为易耗品(焊棒、焊膏、环氧树脂及溶剂等)使用或作为辅助工艺来完成产品时以禁用物质来污染产品。建议在采购、标识、储存及特殊处理时都要经过一个特殊的批准程序。

工厂中辅料的清晰标识,对于确保其在制造过程及产品中的正确使用非常关键。而且我们应该确保在仓库中将非RoHS符合的材料与RoHS符合的材料分开,以避免发生任何意外的混淆。

7. 制造

(1) 工艺设计、设备与工艺控制在理想情况下,R o H S符合或非RoHS符合要求的工艺应分别使用专用设备与工具。这可在共用资源时减少发生污染的风险。由于确定专用设备的因素分别为混合/批量/要求及客户要求,因此我们可能需要在RoHS符合产品生产的起始阶段共用某些资源。理想的生产切换应保证产品不受工具与设备的污染,应为适当的产品建立适当的程序与标准等。

(2) 制造过程中的材料与产品处理

基本思路是尽可能地按目前的工艺流程来处理R o H S符合器件与装配元件。这可通过用{wy}的料号来标识RoHS符合的器件来实现。在运输受限物质或与非RoHS符合的器件时,共用储存与运输设施时是没有污染风险的。{wy}的风险是材料受热或加有机械外力。

(3) 辅料处理

对在RoHS符合/无铅生产的车间所使用的所有RoHS符合的非BOM材料均必须进行标记。所有位于同一位置、生产符合及非RoHS符合产品的工作区,应在改变工艺时执行严格的工艺控制。

(4) 审核

目前执行的审核程序和/或清单应包含用于RoHS符合的额外审核步骤,包括:每一工艺控制程序中的辅料分离、辅料的适当标记、制造工艺指示中的RoHS工艺标识、标有用于RoHS工艺的生产线,以及用于RoHS工艺的工艺设置等。

(5) 符合性验证测试

尽管培训供应商与采购经理是符合策略中的{dy}要务,但还应该根据高风险器件的存在来制定相应的测试计划。也许不需要测试每一个器件,但我们必须拥有采用已批准方法、合理且基于风险的测试步骤。

x射线荧光显示技术(XRF)作为一种分析RoHS符合性的技术受到人们的特别xx。XRF不仅具有非破坏性、可提供实时分析信息、而且还能用来分析各种元件。由于XRF只能检测元件,因此在大多数情况下它必须与其他分析方法一起使用才能实现全符合性确定。手持式设备不仅容易使用,(尽管受数字结果不确定性的限制以及对镉的低灵敏度等),而且是一种可用来检测各种产品材料中基本RoHS物质的出色显示工具。

产品RoHS物质限制的发展需要有一项参考标准来客观地定义分析测试结果。国际电工委员会 (IEC) 已成立一个专门委员会来满足这一要求,并预计于2006年RoHS实施截至日期以前颁布一项IEC RoHS测试标准。

{zh1}几步是制定相关文件以及采用并定期评估收到的信息质量。测试与符合性文件应可审核,以确保可信度与有效性。

(6) 废弃物管理

器件与产品的废弃处理主要根据WEEE指令与知识产权义务及其他当地和国际环保规定进行。

(7) RMA

RoHS符合性计划没有覆盖目前正被最终用户所使用的非符合性产品,这意味着需要使用非符合性材料与工艺来生产和修理非符合性产品,即使在已确立的符合性截至日期以后仍可发运给最终用户。RoHS符合性计划的范围仅适用于新产品。

T: 培训

培训是成功实施无铅工艺及整体执行RoHS要求的关键要素。培训还在与组织机构就其工厂内部每个人员的作用、角色及责任的沟通中扮重要角色。培训课程主要瞄准以下三类员:操作员、工程师、管理层与其他间雇员。我们可按以下内容来设置培训课程:

1. 对操作员的RoHS知识培训

2. 对检验员的无铅焊料联合检验培训

3. 对管理层的RoHS知识培训

4. 对供应商质量管理部门的质量培训

5. 对工艺设计、设备工程、测试工程及质量部门等的无铅技术培训

6. RoHS生产切换培训

除以上培训外,相关部门还应接受可审核RoHS符合系统中所有已更新、或{zx1}形成的程序培训。

M: 监控

应将质量工艺审核单更新为包含RoHS要求,然后我们再根据它来制定RoHS工艺控制计划,譬如制定监控计划等。

A & C: 审核与控制

应执行严格的审核与控制( 包括R o H S工厂审核与执行中的质量审核等)以确保整个工艺流程中没有非RoHS符合的地方。功能强大的可追溯系统可用来确保无材料混用及错用等情况发生,这对于实施RoHS来说极为有用。

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