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实施无卤化PCB组装工艺面临的挑战

实施无卤化PCB组装工艺面临的挑战
取消卤化物在PCB组装工艺的应用会产生巨大的冲击。采用正确的技术和方法将有助于确保高端产品的良率和长期可靠性。

电子行业一直致力于提供更环保的电子产品,这个趋势的部分原因是来自不同国家的立法规 定,部分原因是来自公众对于媒体广为宣传的 关于第三世界材
料循环利用做法上的强烈抗议,还有部分原因是由于非政府机构 (NGOs) 对于电子设备中多种有毒物质的含量进行测试并公布了这些信息。减少并最终消
除其使用的其中一种目标物质就是卤代化合物。卤素通常应 用在电缆和外壳等塑料件中,还有电路板基板材料、元器件以及焊接用的助焊剂等。
挑战之一:无卤的定义
简单来说,无卤意味着产品中不含有元素周期表中 第7族(17)中的任何元素(图3)。这些元素分别是氯( Cl ) ,溴( Br ) ,氟(F) ,碘( I )和
砹(At) 。对 于电子行业来讲,氯和溴是最常用的卤素,氟偶尔会用在 助焊剂中以改善焊接效果,但目前没有得到重视。因此,电子产品的无卤通常定义
为不含氯和溴。
标准之间的差异(表1)使得无卤究竟如何定义有些混乱。 IPC正在编制新的标准,J - STD - 709 ,其目的是更好地为低卤素电子产品提供指导。截
至2008年12月, J - STD - 709规范还没有完成。但有可能将900ppm的浓度规定变成1000ppm以与RoHS指令相吻合。该规范也有可能只关注在阻燃剂
和聚氯乙烯中含有的溴和氯;然而,一旦测出溴或氯,很难确切地分辨该卤素究竟存在于产品的哪 一部分。因此,电子公司很可能会限制所有原料的卤素
含量,使得工艺控制更简单容易。
标准之间的差异(表1)使得无卤究竟如何定义有些混乱。 IPC正在编制新的标准,J - STD - 709 ,其目的是更好地为低卤素电子产品提供指导。截
至2008年12月, J - STD - 709规范还没有完成。但有可能将900ppm的浓度规定变成1000ppm以与RoHS指令相吻合。该规范也有可能只关注在阻燃剂
和聚氯乙烯中含有的溴和氯;然而,一旦测出溴或氯,很难确切地分辨该卤素究竟存在于产品的哪 一部分。因此,电子公司很可能会限制所有原料的卤素
含量,使得工艺控制更简单容易。
挑战之二:无卤印制电路板长期以来,溴化阻燃剂一直用于印刷电路板的制造, 虽然供应商目前已经开发出了一些无卤替代品,但这些替 代品对组装工艺
过程的影响仍然具有很大的不确定性。自从推行无卤以来,尽管无卤材料已经占据了层压板市场百 分之十的份额,但业界依旧缺少定义组装工艺和可靠性
窗口的生产经验。
无卤PCB板的价格比普通的含卤PCB要高。成本的差异仅仅是从经济的角度考虑。然而,PCB板制造商们还面临着一个更关键的挑战:那就是由于PCB钻
孔的工艺中受材料物理特性的影响很大,而无卤材料的硬度通常更高。据 估计,钻头的寿命因此会降低约25%。这决不是无关紧要的,因为这一原因,有
可能使无卤PCB一直花费更高的制造成本。在销售给组装厂时,这个成本将会反映在产品的销 售价格上。
而一个好消息则是,组装商所关注的无卤板的特性, 与有卤的PCB相比一样甚至更好。通过比较从一些供应商所提供的数据表,可以很容易地看到,无卤
基板一般都有较低的热膨胀系数(CTE),它们有较长的T-260和T-288时间和一个更高的Td 温度,这些都意味着无卤PCB将能更好地适用于多次回流
工艺,并能够承受较高的回流温度。
从可靠性的角度来看,有相当数量的缺陷与CAF阻抗相关。CAF(阳极导电丝)是一种电化学失效模式,由PCB板内层之间长出细丝而导致的。这通常是
因为某些类型的内层发生分层现象,从而产生了一定空间并允许细丝增长, 而这种分层是由于环氧树脂和玻璃纤维的热膨胀系数不匹 配所致。南亚的一些
研究结果表明,无卤素板对于CAF的形成表现出更强的抗力,而由CALCE所做的另一项研究则表明,无卤素板更容易形成CAF。对于组装高可靠性要求产
品的任何一家公司,这种相互矛盾的数据应该是非常值得关 注的。随着越来越多的独立研究工作的进行,CAF是否是一个至关紧要的因素将会变得更加清
晰。
挑战之三:无卤素与无卤化物的助焊剂
根据定义,卤化物是指任何含有卤素的化合物。例如 食盐(氯化钠)就是一个卤化物。根据这一定义,无卤意 味着产品不包含任何卤代化合物。然而对于
焊接助焊剂来说,该术语并不那么合适。IPC/J-STD-004所定义的无卤助焊剂实际上仅仅是不含离子态卤素。
根据卤化物的含量来给助焊剂分类并不是一个新概念了。IPC,以及IEC、JIS等其他标准组织几十年前就已将电子类的助焊剂分类,以确定在电子组装产
品上残留物的潜在腐蚀性。这个分类方法根据其腐蚀性程度的不同将助焊 剂分为L、M、以及H;此外,还根据卤化物含量将助焊剂分等级为0或1 。这些
条目之间的差异是至关重要的,因为寻求无卤素电子产品就不应该假定不含卤化物的助焊剂就 能符合其无卤素的要求。
IPC所推荐的助焊剂内卤化物含量的测试方法是离子色谱法。当单独使用离子色谱法时,我们所面临的挑战是 它只能识别不同的离子,已形成共价键的卤化
物很难被打破,因此不能被检测到。此外,还有一些化合物与氯和溴 有类似的保持时间,因此导致非卤化物被误判为卤化物从 而影响测试结果。
在离子色谱法之前先用氧弹燃烧法(EN 14582),能够更精确地检测到以一切形式存在的卤素,包括离子状态和共 价物形态。这种测试方法是将被测样品进
行氧弹燃烧,以使所有的有机物质在非常高的温度下充分燃烧,卤化物被 转化为氟、溴或氯离子。残留的灰烬包含了卤素和其它的 一些无机物,并通过吸
收液使其溶解成溶液,再通过离子色谱法来确定该溶液中真正的卤化物含量。所有卤素的结 合物,包括任何共价键卤化物通过氧弹燃烧过程来打破键 合并
通过离子色谱法检测出来。
IPC J-STD-004所规定的对卤化物的简单测试方法常常使那些希望组装无卤素电子产品的企业处于困境,因为 只是简单地接受诸如“由离子色谱法判定无
卤” 或“根据J STD 004 定为L0”等条款是远远不够的。对于焊膏和助焊 剂来说,要断定其无卤,必须要求按照EN14582的测试方法对其进行测试。因此,
业内也期望对J-STD-004能够进行更新,将更准确的测试方法包含进去;然而,标准的更新过程可能需要一年甚至更长的时间。
挑战之四:对组装工艺的影响毫
无疑问,消除了卤素的焊膏和助焊剂将对电路板组装过程产生最大的潜在影响。焊膏及助焊剂中添加卤素的 目的就是提供极强的去氧化能力并增强润湿
性,从而提高焊接效果。结合目前行业正处于无铅过渡的中期,即需要 使用润湿性不强的合金(无铅)以及含铅焊料的原用合金。
在焊膏里, 去除 卤素有可能对润湿性和 焊接造成负面的影响。 在应用上这将是最明显 的变化,需要更长的温 度曲线或需要非常小面 积的焊膏沉积。正因
为如此,两个相对较新的缺陷就会变得普遍。首先就是所谓的“ 葡萄球现象”(the graping phenomenon)。该缺陷基 本上是由于焊膏的不完全结合而造成
粗糙及凹凸不平的表面(见图4)。
焊膏印刷之后,由于表面的氧化物产生后活化剂不能去除这些氧化物时,就会发生“graping” 现象。它与总的助焊剂量相关,越小的焊膏沉积量就会有相对
越大的表面积暴露在空气中被氧化。因此,较小量的焊膏沉积,如 0201的焊接,就需要更大的助焊剂量,而无卤素材料将更容易产生“graping” 。
在无卤转换的过程中很可能会变得非常普遍的第二个缺陷是“枕头” (head in pillow)缺陷。该缺陷发生是在回流过程中,BGA器件或PCB板易变形造成
的。由于BGA或基板在弯曲时会使焊球与沉积的焊膏分离,在回流阶段, 焊膏及焊球都进行 熔化, 但彼此并不 接触, 在各自的表 面将形成一层氧化
层, 这使得他们在 冷却过程中再次接 触的时候不太可能 结合在一起, 由此 产生的焊点开路 看起来就像“ 枕头”一样(如图5所示) 。
正由于“葡萄球” 和“枕头”焊点缺陷,焊膏制造商所面临的挑战是如何使无卤焊膏的性能与目前的有卤焊膏 一样好。改善回流的性能并不那么简单了,由于催
化剂被改良了,可能会对印刷工艺、模板寿命以及存储时间产生 负面影响。因此,在评价无卤材料时,必须谨慎地检验其回流性能,但评估时也不能忽略
印刷的效果。
总结
随着行业正在趋向于环境友好或“绿色”电子产品的普及,快速减少或消除卤代化合物的使用在持续推进,这 可能对材料成本、产品的可靠性以及工艺的良
率等产生诸多不利的影响,而了解无卤材料的性能是成功组装更环保的电子产品的关键所在。
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“绿色”趋势
RoHS指令规定2006年7月1日开始禁止使用两种卤化阻燃剂:多溴联苯( PBBs )和多溴二苯醚( PBDE) 。 虽然可能仍然存在一些争论,但似乎人们

普遍都认为多溴联苯和多溴二苯醚对环境有害。这类化合物容易在生物体 内积累,并可在人体、动物体内和环境中被找到。此外, 当含有这些阻燃剂的产
品被再生利用时,将使工人易受伤害。
早在2008 年, OKO 研究所已经公布并列举了超过4 0种今后有可能被包含在RoH S指令中这类物质。 RoHS指令一直是“实时”文件,因此随时都会被更
新。这一拟议的更新被一些人称为RoHS指令2。四溴双酚A (TBBP A)和六溴环十二烷(HBCD或HBCDD)就包含在上述清单中的40种左右的物质之中。四
溴双酚A是其中一个应用在印制电路板中的最重要的阻燃剂,而HBCDs则主要应用在隔热泡沫材料中,对电子行业的影响不大。
追溯到2008年12月中旬,那时欧盟曾经宣布RoHS将不会添加新的禁用物质。然而,随着欧盟REACH法规的颁布,成千上万的物质将被评估,其中就包
括四溴双酚A(TBBPA)。REACH(关于化学材料的注册,评估, 授权与限制指令) 共849页,是目前欧盟所颁布的“范围最广的”的法律。而RoHS指令与其
相比,只有6页。 REACH要求任何进口到欧盟或在欧盟制造的化学物质数量超过一吨时,必须予以注册。注册之后,进口或生产这 些物质的公司必须参与
合作对材料的安全性进行评估。预计这项工作将需要数十年的时间来完成。然而, 已有16种物质被指定为高度关注物质(SVHC),且需要对其尽早评估并
在产品中标识在何处使用。四溴双酚A(TBBPA)不在这16种物质之中,但是其阻燃衍生物HBCDD却在其中。
非政府机构( NGOs ) ,如绿色和平组织也可能会 越来越影响“绿色”电子产品的发展,其中“绿色电子产品指南”就是一例,如图1所示,它的主要特点之
一是个人可以要求公司查询产品中的物质,且公司必须在45天内做出答复。绿色和平组织、世界野生动物基金会和其他 非政府机构正在鼓励消费者作这样
的咨询并在他们的网站上公布。我们相信,RoHS指令、REACH以及非政府机构的结合,将继续促使电子公司趋向无卤,尽管在某种 意义上说只是为了避
免任何麻烦。在索尼家庭影院接收器的外包装上的标识也证实了这一点,其无卤声明作为ECO信息的一部分被列出来,如图2所示。
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参考资料
    []Aghazadeh M.; “Halogen Free…A Global Perspective;” IPC Halogen Free Symposium; Scottsdale, AZ; January 2008[/][]Lee FY; Halogen-Free Materials Manufacturing and Supply Chain Challenges; IPC Halogen Free Symposium; Scottsdale, AZ; January[/]
2008
    []Sood B; Comparison of Halogen Free and Halogenated Printed CircuitBoard Laminate Materials Subjected to Pb free Soldering[/]
Conditions; IPCIt's Not Easy Being Green; Boston, MA, July 2008
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