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1、无铅转移与过渡技术潘开林，周斌，颜毅林，韦荔芾（桂林电子科技大学机电与交通工程系，广西桂林5 4 10 0 4 ）1引言近几十年来，电子电气工业在给人类带来方便和益处的同时也给社会带来堆积如山的电子垃圾，电子 电气垃圾给全球生态环境造成的消极影响正越发严峻。为了控制电子垃圾对生态环境的污染，欧盟委员会 于2 0 0 3年颁布了关于在电子电器设备中限制使用某些有害物质指令（简称ROHS指令）1 , 并于2 0 0 6年7月1日开始实施。无铅焊料相对更高的熔点、较低的润湿能力与较高的弹性模量等工艺、 物理、力学特征使得无铅的可制造性与可靠性问题更加突出，尤其在H前的过渡阶段，有铅与无铅的混合 组装
2、引起的兼容问题尤为突出。2无铅对元器件的要求与影响无铅焊接，对元器件提出了更高的要求，最根本的原因在于焊接温度的提高。传统锡铅共晶焊料的熔 点为1 8 3 C,而目前得到普遍认可与广泛采用的锡银铜（SAC）无铅焊料的熔点大约为2 I 7C,使 得热致失效（特别是热敏感与潮湿敏感器件）大大加剧。热敏感器件包括光学组件、电解电容、连接器等，焊接温度的提升虽不是很高，但可能是致命的。如 某一常规电容在焊接温度为2 2 5笆时完好无缺，但当焊接温度升高到2 5 0 C时便出现了严重的翘曲问 题。针对无铅条件下元器件的耐高温问题，I PC在最新的标准J-STD-0 2。中2,依据封装体 的厚度、体积制订
3、了相应的网流焊接峰值温度要求，如表1所示。值得注意的是在无铅条件下，I PC标 准与日本标准基本一致。表1元器件的耐高温要求（a）锡铅工艺月一月装/mm A5O mm1e体枳力350 imi25240 *0/-5 笔240 4 0/-5 X25240 *()/-5 X：24() *0/-5 X：（b）无铅工艺封装叩授/I1U11财装体杉! 350 nwi?All*35OKXI) innrH装体积 2(XX) mtn 16260 r湘r260 T16-25260 r250笔245 T325250 r245 X.245 T对于诸如PBGA等潮湿敏感器件（MS D）,随着工艺温度的提升，元器件吸入的
4、潮气在高温作用 下气化并急剧膨胀，形成很大的压力，可能引起“爆米花”、分层、裂纹等问题。因为压力与温度的增加是指数关系，所以对于MS D的处理需要特别注意。I PC在标准J-STD- 0 2 0与J-STD-0 3 3中3 分别对MS D的分级及其处理作了规范，可以作为应用参考。此外，在使用时还应当注意以下两点:（1 ）峰值温度何提高5I （TC,潮湿敏感等级（MSL）就下调12级：（2）对于开封后没有使 用完的MSD，放同干燥箱的时间保证为暴露在空气中时间的5倍以上才可继续使用，因为吸气容易排气 难。此外，温度梯度对元器件的町靠性影响同样值得关注。较高的温度梯度将降低元器件内部的互连可.靠
5、性，主要是由于热不匹配造成的封装体与硅芯片之间的分层、裂纹等问题。在无铅条件下，大的温度梯度 既可能出现在升温阶段，也可能出现在焊后冷却阶段。为了保障无铅焊点的可靠性，对冷却速率有一定的 要求，冷却速率太慢，一方面使得金属间化合物（IMC）增长太厚；另一方面，结晶组织粗化，以及可 能出现板块状的A g 3 S n,这些都将大大降低焊点的可靠性。因此，无铅焊接设备都设立了强制冷却区, 一般情况下，冷却速率最小要高于1 . 2笆/ s，但不要高于253 C / s。另外，影响可靠性的主要因素是元器件的可焊性涂层，主要是指引脚涂层无铅化所引起的锡须问题。 为了保障可靠性，可以将EMS论坛无铅PCB组
6、装关于ROHS符合性元器件供应商转移的指南，与i NEMI的高可靠性无铅坦装的元器件要求作为参考。3无铅对PCB的影响与要求无铅焊接相对高的温度给PC B带来一系列问题。具体而言，体现在以下几个参数。3.1玻璃转化温度Tg在传统锡铅工艺条件下，玻璃转化温度T g被认为是最重要的参数。因为,在Tg以上，PCB物理 特性发生很大变化，特别是热膨胀系数（C T E ）。图1所示为常规P C B基材F R4、铜（C u ）以及 镀通孔随温度上升的热膨胀特性图，从图中可以看出，在超过Tg以后，Z轴的CTE急剧上升，与C u的热不匹配问题大大加剧，因而期望更高的玻璃转化温度。ob25FRY的自由热影胀冷却加然20050! PTH陌挡原_ 钢的自由热略胀250图I HM与Gu热特性及H . II5.3可焊性涂层对可靠性的影响可焊性涂层包括元器件引脚与P C B焊盘的可焊性涂层。对于元器件的可焊性涂层，转换到无铅之后, 传统的占主导地位的S n P b涂层不能应用。从目前实际应用情况来看，主要包括纯S n, S n B i , N i Pd Au, N i Au等几种。对于无源器件而言，以纯S n为主；对于引线框架类封装，N i P d A u 具有较强的优势；对于B G A焊球，S n A
