IC 供應(yīng)商幫助客戶實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綠化

摘要： IC供應(yīng)商可建立全面和具有前瞻性的策略，協(xié)助客戶制造符合 RoHS 嚴(yán)厲要求的產(chǎn)品，以建立環(huán)保規(guī)范的競爭價(jià)值

關(guān)鍵詞： Pb；RoHS；無鉛封裝

如果只看一個(gè) IC，很難想象它會對環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅，但是在日益增長的重金屬環(huán)境污染危害中，每年由數(shù)千家廠商制造的數(shù)以千億的 IC扮演了非常關(guān)鍵的角色，特別是環(huán)境中的鉛(Pb)。雖然單個(gè) IC 造成的有毒廢棄物的問題很小，但是大量累積的各種芯片和系統(tǒng)就會產(chǎn)生大問題。

根據(jù)業(yè)界估計(jì)，今天垃圾中 40% 的Pb來自消費(fèi)電子產(chǎn)品。分析師估計(jì)，僅在美國每年就丟棄約 5 千萬臺計(jì)算機(jī)，相當(dāng)于 2 萬多噸廢棄物。同時(shí)，美國人每年還丟棄 1.3 億多部手機(jī)，相當(dāng)于多制造了 6.5 萬噸廢棄材料。

使用過的電子產(chǎn)品的低回收率，以及新一代產(chǎn)品生命周期的迅速縮短使問題更加惡化。業(yè)界專家估計(jì)，目前電視的使用壽命不到十年，而計(jì)算機(jī)只有三年。基于上述趨勢，美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)預(yù)計(jì)，美國垃圾掩埋中電子產(chǎn)品廢棄物的數(shù)量將在今后數(shù)年間增長四倍之多。

歷史上，Pb因其所具有的卓越電子及機(jī)械特性被廣泛用于半導(dǎo)體封裝及電路板。Pb或含Pb合金被大量用在焊錫中，用來將 IC 及元件焊接在印刷電路板上。在電氣互連功能方面，Pb也經(jīng)常是金屬中的首選，用于引線框封裝的引線，以及球柵陣列(BGA)封裝及電路板本身。當(dāng)電子設(shè)備被丟進(jìn)垃圾時(shí)，經(jīng)常暴露于酸雨中。當(dāng)雨水流過這些廢棄物時(shí)，Pb物質(zhì)也隨之流入地下水、河流，最終污染水源。

長期以來，Pb的使用及其對環(huán)境的影響倍受關(guān)注。數(shù)十年來，環(huán)保主義者不斷警告金屬對于人體健康的影響，因此在1970 和1980 年代，美國及其他許多國家的建筑規(guī)范早已規(guī)定不得使用含Pb涂料。但是電子產(chǎn)品廢棄物數(shù)量的快速增加卻帶給該問題新的緊迫性。

最近的禁止電子產(chǎn)品制造使用Pb的活動開始于1990 年代后期。為試圖解決這個(gè)日益嚴(yán)重的環(huán)保問題，歐盟于 2003 年發(fā)布了《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分(RoHS)》的指令。該指令于 2006 年 7 月開始生效，RoHS 指令嚴(yán)格限制在歐洲市場上銷售的電子產(chǎn)品中Pb、汞(Hg)及鎘(Cd)的使用。為促進(jìn)新規(guī)范的實(shí)施，歐盟同時(shí)也發(fā)布了《電氣及電子產(chǎn)品廢棄物(WEEE)》指令，要求制造商必須負(fù)擔(dān)歐盟國家所有二手電子產(chǎn)品回收的相關(guān)費(fèi)用，同時(shí)也允許個(gè)別國家執(zhí)行更嚴(yán)格的規(guī)定。

由于限制重金屬使用的規(guī)范還沒有開始時(shí)，電子行業(yè)已采用一些不同的產(chǎn)品定義。無鉛封裝被理解為包括使用鍍純錫的引線框端點(diǎn)封裝，或有低于 1000ppm 含Pb鍍層的錫/銀/銅(Sn/Ag/Cu)合金焊錫的球柵陣列(BGA)封裝。

符合 RoHS 規(guī)范的器件必須滿足更嚴(yán)格的要求。在所有半導(dǎo)體封裝，包括塑封化合物、鉛拋光、引線框及裸片貼裝所使用的Pb、Hg、六價(jià)鉻(Cr+6)、多溴聯(lián)苯(PBB)，以及多溴聯(lián)苯醚(PBDE)含量都被限制在 1000ppm 以下。此外， Cd需低于 100ppm。

更為嚴(yán)格的綠色封裝除了必須符合上述所有的要求外，還限制了溴(Br)及氯(Cl)阻燃劑的使用，其含量必須低于 900ppm，Sb阻燃劑則必須低于 750ppm。另外，綠色封裝禁止使用任何紅磷(P4)。

全球性影響

當(dāng)歐洲正致力于實(shí)現(xiàn)電子制造無鉛化時(shí)，全球其他地區(qū)也開始支持類似的規(guī)范，如表1所示。

多重挑戰(zhàn)

試圖滿足這些新規(guī)范的半導(dǎo)體制造商面臨許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先是向更高回流焊溫度的轉(zhuǎn)移。傳統(tǒng)的含鉛電路板制造工藝是在240℃或更低的溫度進(jìn)行。新的無鉛封裝則必須能夠承受峰值達(dá)260℃的回流焊溫度，同時(shí)還要保持所有相關(guān)的防潮等級和可靠性都符合 JEDEC J-STD-020 C 版中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

此外，沒有一種合金或化學(xué)材料的焊料能完全替代含鉛焊料。錫須的生成會影響產(chǎn)品的可靠性。回流焊產(chǎn)生的錫須可能會造成信號短路或是其他信號完整性問題。制造商必須徹底了解這些特性，才能預(yù)見并知道如何彌補(bǔ)使用無鉛替代物焊接時(shí)對元件及印刷電路板可靠性造成的影響。

在向符合環(huán)保規(guī)范的轉(zhuǎn)移過程中，第三個(gè)挑戰(zhàn)是庫存管理。無鉛、符合 RoHS 規(guī)范及綠色環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的系列產(chǎn)品的生產(chǎn)會引起很大的物流管理復(fù)雜性。在轉(zhuǎn)移過程中，制造商必須視客戶的需求同時(shí)提供舊的含鉛元件，以及新的無鉛或符合 RoHS 規(guī)范的元件。他們所面臨的問題是如何在不迫使客戶放棄大量舊的、不符合規(guī)范的產(chǎn)品的同時(shí)，能夠讓新舊產(chǎn)品線同時(shí)順利生產(chǎn)。

評估、測試和溝通

要迎合這些快速變化的制造工藝要求，首先要通過調(diào)查或其他方式來評估客戶目前的需求，及其對未來環(huán)保要求的預(yù)期。客戶的產(chǎn)品是否銷售到有這些規(guī)范的市場？是否需要符合 RoHS 規(guī)定？或是否愿意更進(jìn)一步推動其環(huán)保計(jì)劃以滿足綠色封裝標(biāo)準(zhǔn)？

半導(dǎo)體制造商必須擬訂計(jì)劃，盡快推出并積極實(shí)行。計(jì)劃的首要執(zhí)行內(nèi)容必須迅速實(shí)現(xiàn)向高溫度的轉(zhuǎn)移，以承受 260℃高溫，因?yàn)闊o鉛封裝必須能夠承受峰值為 260℃的電路板焊接，同時(shí)也要符合 JEDEC 規(guī)定的防潮標(biāo)準(zhǔn)。

以IDT為例，在轉(zhuǎn)換初期曾以平均每秒3℃的提升速度測試無鉛封裝，并以150至200℃的溫度預(yù)熱60至180秒。然后以217℃以上的溫度加熱封裝60至150秒。這時(shí)，IDT的工程師要對大型組裝進(jìn)行測試(指封裝厚度大于或等于 2.5mm，或是封裝體積大于或等于350mm2)，在260℃的最高溫度下(