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    因应欧盟RoHS指令之无铅组装技术发展现况 ZT

    帖子创建时间:  2007年11月29日 22:42 评论:2 浏览: 215 投稿
    铅与锡一样拥有其独特之较低熔点物理性质,以及良好热疲劳可靠度(thermal fatigue reliability),且成本低,故自古以来即被人们广泛使用,尤其是在电子相关产业,是电子产业中锡铅焊料(tin-lead solder)的主要成分之一。但铅与其化合物名列为10大有毒物质之一,根据研究显示,铅可以穿过胎盘,影响胎儿健康与智力发展,伤害人类的大脑与神经系统,造成儿童的智商降低,暴露于低剂量的铅之中,甚至有可能造成学习障碍、听力降低等问题。而成年人则会影响中枢神经,伤害到肾脏、肝脏,对男性造成不孕症等影响。虽然铅应用于电子产业中的锡铅焊料低于1%,但其电子产品如计算机、电视机报废以掩埋处理,经酸雨之冲蚀后,会让铅释出污染地下水,造成环境污染,甚至被人体吸收后造成伤害。有鉴于铅的种种危害性,各国已陆续订立法规禁止铅的使用。 

      欧盟RoHS指令规定电子产品中禁用铅、镉、汞、六价铬、溴化物耐燃剂(PBBs、PBDEs)等6种物质,其中亦以「铅」的管制最受重视,因铅广泛地使用于电机电子产品中,无铅化(lead-free)所需克服的问题较多,如材料转换、制程改变等。台湾各厂为因应世界潮流之发展,无不极力寻求各种无铅化之方法,以符合国际环保标准。
      RoHS于条文中说明6种危害物质检测必须是「均质材质」,且为最大浓度值。在IC封装的制程中,依材质来看,焊点接合(solder joint)、铜垫(copper pad)、导线架(lead frame)、焊接线(bond wire)等可称为均质材质,因此它们的最大浓度值必须要符合欧盟之RoHS规范。目前电子产业所用之焊料为锡铅合金(63%Sn、37%Pb),熔点为 183℃,无铅合金则是以锡为主体,再搭配其它金属进行改质。工业界几种无铅PCB板如有机保焊剂(Organic Solder Preservative, OSP)、化镍/浸金(Electroless Nickel-Immersion Gold, ENIG)、浸镀银(Immersion Silver, ImAg)、浸镀锡(Immersion Tin, ImSn)、无铅喷锡 (Hot-Air Solder Leveling, HASL)。这5种各有其性质与价格上的优缺点,而目前大部分的电子同业公会均建议以锡银铜(Sn-Ag-Cu,Tin-Silver-Copper, SAC)为标准的无铅焊料。以锡银铜(SAC)而言,因合金比例不同而有不同特性的因素考量下,各国建议之合金比例有些许差异。但其范围大致上为锡 95.5~96.5%、银3~4%、铜0.5~0.7%,而熔点则约为217℃。而在中国规定的无铅焊料则多加了铈(Ce)于锡银铜合金中。
      无铅合金的熔点增加了34℃,也是无铅化后会导致问题之关键因素。其问题包括:整体能量的消耗、整体经费增加、PCB的可靠度问题、锡须可靠度的问题、零组件可靠度的问题等,若以能量消耗而言就增加了15~20%。无铅PCB相对于传统PCB所需解决的问题包括了:较高的分解温度 (Decomposition Temperature, Td)、较高的玻璃转换温度(Glass Transition Temperature, Tg)及较低的Z轴的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion in Z-direction, CTE)。其中,Tg是被最常用来当作传统焊料的参考物质特性,它是指材料从较坚固或玻璃态的状态下转化成可变形或较柔软状态时的温度,它一直是PCB热可靠度的参考准则,而在无铅焊料上,Tg则与Td、CTE同等重要。
      以PCB板上的电镀材料来看,无铅制程后,在以制程稳定度考量下,是以镀纯锡(matte Sn)取代传统的镀锡铅,但却容易产生锡须(tin whisker)之问题,造成焊接短路,此为无铅制程可靠度遭遇之最大问题。其形成可能机制为:在锡-铜(Sn-Cu)之界面,Cu扩散到Sn形成 Cu6Sn5,对锡层产生推挤压力(compressive stress),而向外产生锡须。为减缓锡须产生的可靠度风险,有几种建议的方法,例如可使用晶粒(grain size)较大之纯锡(matte Sn)以减少锡须成长速度,或是使用较厚之纯锡板(最小8μm,10μm较佳)、使用第2元素例如铋(Bi)于纯锡板当做铅之替代、使用镍(Ni)在锡之底层(0.1~2μm)以防止铜扩散到锡层形成Cu6Sn5。
      在危害物质上,「铅」之危害已为人们所讨论许久并已建立相关法规,因此「无铅」风潮势不可挡,无铅组装技术则为电子产品无铅化之重要发展关键。虽然目前无铅组装仍然存在著一些急待解决的问题,例如因无铅的SnAgCu焊料熔点比传统的SnPb高了34℃,而引发后续零件、PCB与焊点接合等可靠度问题及能量消耗问题,这些都需要投入时间经费与人力来完成。我国是电子产业的发展重地,面对全球无铅化趋势的来临,势必要有因应之对策,相对于日本与欧美各大国及早因应且大规模投入无铅制程研究,为了因应无铅环保的趋势,我国必须更积极的迎头赶上,甚至于在开发技术上能够脱颖而出,以使我国的电子产业能继续在世界上占有一席之地。

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    原著:林馨如  工研院能环所

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