下一代环保PCB产品应用技术

    【集萃网观察】

　　引言

　　自从欧盟2003年12月正式将“无铅”立法之后，全球电子业已为之带来极大的冲击，到2006年7月，欧盟关于报废电气电子设备的指令WEEE、关于在电气设备中限制某些害物质的指令ROHS和日本电子工业发展协会（JEIDA）及美国全国电气制造商协会（NEMl）有关电子封装产业的禁铅、禁卤已正式生效，投放市场的电子产品不能含有铅、汞、镉、六价铬和限制使用聚合溴化联苯或溴化阻燃剂PBB、PBDE等有害物质，这必将影响包括PCB产业在内的全球供应链的运作和相关产业的发展。我公司自1999年开始研究环保PCB产品，并成为日本松下最早认可的全球绿色伙伴厂商之一，现99% PCB产品都已做到环保和无铅化。

　　本文从原材料管制、无铅制程的选择和管控及SMT电子后封装三个方面，全面阐述了下一代PCB产品如何去满足日趋严格的环保要求。

　　1. 原材料的选择与管制

　　众所周知，在PCB产业中，汞、镉、六价铬几乎都是不用的，或者说除了湿制程加工中的微量含有，不会被PCB厂商刻意的使用，因此在原材料和制程的选择上，只要考虑到铅Pb和卤素不超标即可符合基本的环保要求，PCB表面金属处理就是在做到无铅（<0.1%pb）上，传统的PCB（和SMT）产业中，因大量使用铅锡合金，如HAL、焊锡膏等。铅属重金属元素，在自然界中分布很广，是三种放射性元素铀、钍、锕衰变的最终产物，一旦人体的铅吸入量超过其饱和浓度，就会出现贫血、缺钙、免疫力下降等症状。

　　为什么要无铅焊料？

　　含铅焊料的有害性：焊料所含的铅虽为全使用量的1%弱（3万/5百万吨），而有广泛扩散的可能性难于完全回收。由于环境污染，忧虑铅中毒等对人体的影响。

　　在PCB工业中，卤素（氟F、氯Cl、溴Br、碘1）的应用主要在板材和油墨上。

　　1.1 材料的筛选

　　PCB最终加工形成的成品上，主要包含有三大类物质即：板材、表面处理（金属）层和油墨。

　　1.1.1 板材

　　常规板材FR-4、CEM-3中，因含有大量溴化环氧树脂，如四溴双酚、多溴联苯、多溴二苯醚等，在燃烧过程中，会放出极高毒性的物质，如二恶英（TCDO）、苯呋喃等，一旦被人体摄入将无法排出，极大地威胁着人类的健康。因此PCB覆铜板产业中必须以无卤基材（氯Cl、溴Br分别小于0.09%）替代，以含磷（P）环氧树脂取代溴化环氧树脂，以含氮（N）酚醛取代传统的双氰胺固化剂。

　　另外，环保板材还要有较强耐热性能，能够承受无铅SMT工程260度多次高温，不变色、不分层、不变形和弯曲。

　　1.1.2 表面金属层

　　目前业界大多采用环保焊料HASL“锡银铜”配方（95.5Sn-3.9Ag-0.6Cn）取代铅锡合金，环保PCB表面无铅涂覆层应具有高润湿流动性、较小的热应力、高温下不易于氧化等特性，便于无铅SMT的加工。另外，HASL用助焊剂亦需同步采用环保易回收型，且与SMT焊剂具有互熔性。

　　1.1.3 油墨

　　油墨在PCB上最终保留的包括： 阻焊油墨、文字油墨、塞孔油墨，油墨的成份与板材极为相似，主要含有树脂、溴阻燃剂和固化剂，目前不少品牌油墨已经做到不含有害物，如日本太阳、台州、新韩油墨。

　　油墨的选择不但要符合环保要求，而且要能承受环保无铅SMT长时间多次高温，不发生分层变色、脱落、裂纹现象。

　　1.1.4 无铅材料的管制

　　原材料的管理是环保PCB生产中极为重要的一个环节，比如锡条，只要有含铅的锡条被误加入纯锡槽则会导致灾难性的后果，而间接物料如助焊剂的残留也不容忽视，具体可采取的对策包括：

　　①制定无卤无铅原材料的编码规则；

　　②采用颜色标识，在其外包装和内包装上印有经IQA认可的“绿色环保”标签；

　　③在仓库和生产现场，对环保型原材料要单独存放，生产现场专人添加；

　　④实现“绿色合格供应商”认证计划。

　　2. 无铅制程的选择和管控：

　　目前PCB表面无铅涂覆层可供选择的制程包括：电镀Ni/Au,化学浸Ni/Au,OSP（有机助焊护剂）化学沉锡Sn，化学沉银Ag等。

　　2.1 无铅制程的导入步骤：工程设计一技术开发一可靠性评价一材料采购一专案推进与技术展开

　　2.2.1 工程CAM设计

　　环保PCB的工程设计是无铅制程基本的考量面，CAM应考虑到SMT后制程对PCB的功能影响。

　　图形设计事例（布线，焊接区形状）

　　l.防止浸流插入零件离开，红眼焊接区径小一点。

　　2.防止浸流QFP架桥QFP倾斜45%。设虚设焊接区。

　　3.防止软熔芯片分离基本上照过去一样。使保护膜：开口部靠近里面。

　　防止基板翘曲

　　1.也要注意基板耐热。特别是关于吸湿状态卜的软熔峰值温度，参阅右表。

　　2.浸流：大的基板，承载重量零件的基板，在基板的中央部分准备可垫上翘曲承（翘曲梁）的考空间。

　　3.共通：布置零件时考虑尽量使热容量均匀分布。

　　4.分割用的切痕或薄的多层基板容易受软熔热而翘曲，考虑形状尺寸。

　　2.2.2 技术开发

　　制程的开发管理是环保PCB生产中重要环节，具体可采取的对策包括：

　　①环保和非环保材料做到不共线或混线生产，如：显影、成品清洗。

　　②在MI流程纸上，标注环保产品印符，并在MI上签名确认其无铅制程，提醒现 场作业单位人员。

　　③环保产品生产设施、工装，要纳入目视管理，以显目的标识加以区分。

　　④油墨要能承受环保无铅SMT长时间多次高温，故前处理、基板干燥是极为重要的环节，油墨在HASL喷锡或无铅SMT后，可能出现孔边油墨剥离的缺陷，主要就是孔内、板面上水气残留，高温时膨胀而使油墨与铜层分离所致。

　　⑤阻焊油墨不允许添加稀泽剂，这样可避免高温情况下孔内油墨残留溶剂急剧挥发膨胀而造成的爆孔。

　　⑥HASL锡槽中Cu含量控制在0.85%以下。

　　2.2.3 可靠性评价。

　　因此，环保PCB产品的信赖试验与非环保PCB相比，还要强化以下实验：

　　①可焊性实验。（可焊性试验炉中的焊料应与无铅环保要求SMT或HASL之焊料保持一致）

　　②热冲击实验。条件：-40℃/85℃/125℃，3000次后无裂纹。

　　③热循环试验。无裂纹，缩孔出现。

　　④恒温恒湿试验。条件：60℃ 90-95%RH，500小时，在长期高温高湿下不产生金属须生成物。

　　3 环保PCB在SMT电子后封装：

　　3.1 无铅焊接SMT的特性：

　　具有熔点高、低润湿流动性、高热应力、润湿性差和易于氧化等特性，此锡铅焊料要求更严峻的制造条件和质量管理。

　　3.1.1 SMT线设计

　　提高预热温度，控制SMT线速1.2-1.8M/min 倾角3-5度，并进行必要的热补偿，使SMT保持在恒温状态。

　　为确保良好润湿，将足够的预热温度保持在一定的范围内是特别重要的。

　　焊料槽温度

　　要求基板表面的零件温度保持在低于保证的热温度，同时确保基板背面温度为250℃。缩短两个喷流部之间的距离，确保把第1波与第2波之间的温度下降控制55℃以内。

　　使用Sn―Ag-Cu焊料时，也可以停止使用第1波。

　　3.1.2 手工补焊接

　　烙铁温度370±10℃铬镀层80W<3秒，预热基材50℃-60℃长时间不使用烙铁时，应擦拭脏物，用新焊料润湿端头，然后切断电源，防止氧化。

　　3.1.3 使用氮气保护，氮气在无铅制程的益处

　　①增进制程空间。

　　②防止氧化及增进零件脚吃锡度。

　　③增进外观的美化，因无铅制程其焊点 光泽度较为不明显。

　　④减少无铅制程因长时间高温产生的退色情形。

　　3.2.2 研究采用低熔点（125℃以下）焊料。

　　3.2.3 采用软光来（SB和RF）局部加热工艺只对特定的零件进行高温焊接240℃-260℃，耐热性40S以上。局部加热采用激光、氙气、（非接触式）及热滑块，脉冲加热器（接触式）。

　　3.2.4 1S014000一为客户未来制程的标准规格，绿色大地（无铅/无卤化物），空气洁化，助焊剂过滤系统可过滤回收90%的助焊剂。

　　3.2.5 PCB的防霉防蛀技术的采用。

　　3.2.6 可回收、再分解PCB板材（有机材料）研发并应用。

　　来源：www.greattong.com