在制造環(huán)境中實施RoHS

Alex Chen, Heather McCormick, Daniel Tan and Matthew Kelly Celestica Inc.

　　背景

　　隨著2006年7月1日RoHS實施時間限日期的日益臨近，越來越多的電子制造商不得不著手進(jìn)行無鉛工藝評估，同時實際開始制造符合指令要求的，不含禁止物質(zhì)的產(chǎn)品。

　　制造工藝的無鉛是主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一，業(yè)界對這方面已有許多研究成果，但要注意，電子組件也不能含有法令要求的鎘、汞、六價鉻、PBB和PBDE。如圖1所示，所涉及到問題包括：技術(shù)挑戰(zhàn)如工藝更改、可靠性；到供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)，如元器件符合跟蹤、同一器件的符合和非符合版本的物料管理、避免大量廢棄/非符合元器件的庫存而造成影響。

　　然而，停留在技術(shù)試驗和決定如何管理供應(yīng)鏈問題上還不夠，目前必須要考慮如何進(jìn)行無鉛設(shè)計/制造切換，以及量產(chǎn)制造切換工作。



　　技術(shù)挑戰(zhàn)

　　實施無鉛量產(chǎn)制造的第一步，就是要了解組裝工藝和所使用元器件的變化。目前業(yè)界主流的無鉛焊料是SAC（錫?銀?銅）合金，主要是SAC305（3%銀，0.5%銅）和SAC405（4%銀，0.5%銅）。兩種合金的熔點都是217℃，與共晶錫鉛焊料的183℃相比，其熔點明顯提高，所以組裝工藝必須變化；同樣，印制板層壓材料和元器件材料體系也需要變化，圖2表示了一個典型的組件如果切換滿足RoHS，可能會影響到的相應(yīng)材料體系。





　　為了確定需要對組裝工藝進(jìn)行哪些變化的第一步，我們設(shè)計了一塊試驗板，如圖3所示，試驗板是為了模擬一款中等復(fù)雜的產(chǎn)品，板上有15種不同類型的通用元器件。板上有SMT元器件，如各種面陣列封裝、QFP和分立元件；有通孔元件，如PDIP和通孔連接器，以進(jìn)行SMT組裝工藝、波峰焊工藝和返修工藝的試驗和評估。試驗板使用了三種不同的無鉛表面處理方式（OSP、ENIG和IMAG），以評估它們在新工藝中的表現(xiàn)。

　　對于無鉛組裝工藝，iNEMI推薦的焊膏和波峰焊的焊料棒都采用SAC合金。手工返修采用錫銀焊錫絲。試驗板在已有的設(shè)備上加工，以評估無鉛組裝工藝下現(xiàn)有設(shè)備的能力并確定其工藝窗口。首先進(jìn)行試驗板的SMT加工。在印刷工序，預(yù)先縮小了一些元器件類型的鋼網(wǎng)開口，在印刷工藝上不需要什么變化，此次評估所用的無鉛焊膏與常規(guī)使用的錫鉛焊膏的印刷性能上大體一致，印刷效果良好，基本沒有坍塌。

　　如預(yù)期的那樣，貼片工藝區(qū)別也很小，不會對無鉛切換造成影響。在有些情況下，有些面陣列封裝焊球和基板之間對比度較低，這時需要調(diào)整元器件識別設(shè)置參數(shù)。

　　試驗板在10個溫區(qū)的回流爐、空氣環(huán)境下進(jìn)行回流。雖然需要稍微降低一些鏈速，回流爐是能夠達(dá)到并保持溫區(qū)設(shè)置，同時得到符合焊膏供應(yīng)商推薦的回流曲線。有一些試驗板是在氮氣環(huán)境下回流加工的，與在空氣環(huán)境下回流結(jié)果相比，其焊點的外觀更好。此外，回流后分立元件的墓碑發(fā)生概率增大，這主要是由于無鉛焊料的表面張力更高。

　　回流后，對組件的通孔元器件進(jìn)行波峰焊，底面表貼元件已施膠固定，在施膠過波峰焊工藝中所用的SMT固定膠與常規(guī)錫鉛工藝中所使用的一樣。試驗板分批進(jìn)行波峰焊，一些使用水溶性發(fā)泡助焊劑，其它的使用免清洗噴涂助焊劑。膠和施膠工藝表現(xiàn)良好，不需進(jìn)行任何更改。然而，試驗發(fā)現(xiàn)波峰焊工藝窗口非常窄，使用水溶性助焊劑的波峰焊直通率要比使用免清洗助焊劑的要好得多。特別要注意的是，使用免清洗助焊劑焊接OSP表面處理單板的通孔填充效果很差。有必要對無鉛波峰焊助焊劑進(jìn)行改進(jìn)。

　　使用烙鐵對缺陷焊點進(jìn)行了手工返修。在手工返修工藝中使用了氮氣保護，以提高已經(jīng)經(jīng)過幾次高溫的待焊接表面的潤濕性，試驗證明這可以改善焊點。一般地，粘性助焊劑要比液體手工返修助焊劑的效果要好，同時水溶性助焊劑的潤濕性要比免清洗助焊劑要好。

　　早期的研究表明，已有的設(shè)備體系可以用于無鉛組裝批量制造，同時它也是進(jìn)行無鉛輔料體系評估和組裝基本工藝參數(shù)評估的基礎(chǔ)，它也可以幫助識別工藝情況，如波峰焊和返修就需要進(jìn)行進(jìn)一步試驗開發(fā)，以提高其工藝能力。

　　在RIA試驗板上，我們發(fā)現(xiàn)一個意料之外的結(jié)果，那就是所用標(biāo)準(zhǔn)的層壓材料不適用于無鉛工藝，我們預(yù)料并觀察到PCB會產(chǎn)生變色，但同時我們在許多試驗板上發(fā)現(xiàn)有分層現(xiàn)象。這一結(jié)果需要開展進(jìn)一步的試驗來評估無鉛組裝中各種通用層壓材料的適應(yīng)性，并確認(rèn)哪些材料可以用于高性能組件（其要求的回流溫度最高），哪些可以用于低復(fù)雜度組件，或哪些不適合無鉛組裝。

　　基于這一塊試驗板的試驗結(jié)果，我們設(shè)計了RIA2試驗板（如圖4所示）。試驗板比原來的RIA試驗板更厚，板上的器件種類更多，其層壓材料的耐無鉛焊接高溫性能更好，層壓材料的厚度也有所增加。試驗的目的是想用這一更厚、更有難度的單板，進(jìn)一步試驗優(yōu)化組裝、返修和波峰焊工藝。另外，試驗板將用于在足夠的統(tǒng)計樣本基礎(chǔ)上，進(jìn)行具體工藝參數(shù)分析，同時對組裝好的單板進(jìn)行可靠性試驗，以得到相關(guān)數(shù)據(jù)。可靠性數(shù)據(jù)是確認(rèn)無鉛組裝工藝的關(guān)鍵依據(jù)，也可評估各種工藝參數(shù)對可靠性的影響。同時，也對在錫鉛工藝中使用無鉛器件的效果進(jìn)行了評估。

　　除了進(jìn)行上述目的的試驗外，也啟動了解決其它工藝問題和元器件類型的相關(guān)項目研究，如無鉛FCBGA和新輔料體系的評估。



　　物流挑戰(zhàn)

　　雖然RoHS實施要解決的技術(shù)問題有很多，但技術(shù)問題并不是實施的唯一障礙，在實施量產(chǎn)制造前必須先解決許多物流方面的問題。尋找RoHS符合元器件就是首要問題之一，要切換已有的錫鉛產(chǎn)品到無鉛上，首先就必須分析產(chǎn)品的物料清單，以判斷哪些物料已經(jīng)有符合版本，哪些還沒有。隨著實施時間限的日益臨近，越來越多的元器件已有RoHS符合版本，但也有一些供應(yīng)商和部分元器件類型在“拖后腿”。

　　不僅存在元器件的可獲得性的問題，許多元器件供應(yīng)商正在從非符合切換到符合上，這向制造商提出了一系列挑戰(zhàn)。第一個問題就是向后兼容問題，以保證它們還可以在錫鉛產(chǎn)品中使用。第二個問題是處理那些處于生命周期末期狀態(tài)的元器件。必須在符合器件不是向后兼容的情況下，考慮如何保證供貨的連續(xù)性。另一個重要問題，就是那些符合和非符合版本共存的元器件物料跟蹤。

　　物流的另一個主要問題就是收集和管理制造業(yè)者所使用的所有元器件的相關(guān)信息，以保證能實現(xiàn)產(chǎn)品的物質(zhì)申報，這項工作由于缺乏業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化的物質(zhì)申報模板而變得更加困難。

　　為了明確實施RoHS和WEEE指令對供應(yīng)鏈影響，我們成立了一個全球性的專門推行小組，以明確并完成指令符合的推行工作。

　　參與業(yè)界相關(guān)組織和標(biāo)準(zhǔn)化活動，通過對標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)界應(yīng)用經(jīng)驗的跟蹤研究，對于規(guī)范整個實施活動非常有益。另外，與元件供應(yīng)商進(jìn)行緊密合作也非常重要，以了解他們的無鉛實施策略和時間限，同時讓他們了解你的制造工廠或終端客戶的需求和時間限。

　　量產(chǎn)組裝實施

　　實施切換

　　雖然確保RoHS符合基線組裝工藝已被開發(fā)并且可靠、各種物流問題已經(jīng)被確認(rèn)并且解決是非常重要的，但它們僅僅是實施無鉛量產(chǎn)制造的重要一步。切換到量產(chǎn)制造還有許多工作步驟要完成，如圖5所示。



　　首先要進(jìn)行的兩個步驟 合金和輔料研究和工藝開發(fā)及認(rèn)證??已經(jīng)在前面討論過了。下一個階段是將試驗得到的相關(guān)成果轉(zhuǎn)移到制造現(xiàn)場，在這一過程中，培訓(xùn)非常關(guān)鍵。

　　培訓(xùn)：涉及到無鉛產(chǎn)品的相關(guān)工程師和操作員必須接受RoHS符合制造培訓(xùn)，操作員必須熟悉所需的工藝變化，同時所有的工藝操作文檔必須根據(jù)新工藝要求進(jìn)行更新，也必須對業(yè)界最新發(fā)布的IPC-A-610D和J-STD-001D標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行培訓(xùn)。同樣重要的是操作員必須了解隔離符合和非符合元器件、輔料體系的必要性，同時要了解潮濕敏感等級的變化。

　　除以上內(nèi)容外，工程技術(shù)人員必須清楚無鉛組裝新的工藝窗口，需在系列制造工藝標(biāo)準(zhǔn)中加入無鉛制造的最低工藝標(biāo)準(zhǔn)和最佳經(jīng)驗作為參考。為了讓新員工快速成長，應(yīng)讓他們可以隨時得到RoHS符合制造涉及的方方面面的系列培訓(xùn)材料。

　　設(shè)備：然而，只進(jìn)行培訓(xùn)是不夠的，每個工序都要對各自設(shè)備進(jìn)行評估，以確保它能滿足無鉛認(rèn)證的最低標(biāo)準(zhǔn)要求，如果不符合則需要對設(shè)備進(jìn)行升級或更換。

　　一般地，所需的最大投資是波峰焊設(shè)備，在波峰焊設(shè)備上對無鉛和有鉛錫槽進(jìn)行來回更換既困難又費錢，大多數(shù)情況下會使用兩個不同的錫槽，每個槽中都還有價值幾千美元的焊料，錫槽更換也非常耗時。最好是有專用的無鉛波峰焊設(shè)備。

　　許多情況下這種投資都被延遲，因為導(dǎo)入的第一塊無鉛組件一般會盡量簡單，也許不需要進(jìn)行波峰焊，但是隨著RoHS指令實施日期的日益臨近，這種投資是必須的。

　　試運行：一旦現(xiàn)場生產(chǎn)線的設(shè)備和工藝完全升級完成，在量產(chǎn)制造開始之前就需要啟動認(rèn)證試運行了，以證明設(shè)備的工藝能力。圖6大致列出了認(rèn)證活動的任務(wù)分配和工作計劃。圖7是認(rèn)證過程中用到的一種認(rèn)證試驗板。試驗板進(jìn)行檢驗及切片分析，每條生產(chǎn)線收集到的數(shù)據(jù)與另一條生產(chǎn)線進(jìn)行對比分析，并對照合格/缺陷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證。

　　一旦生產(chǎn)線通過無鉛生產(chǎn)認(rèn)證，就可以開始進(jìn)行無鉛產(chǎn)品切換，必須確定和采購RoHS符合元器件、工藝輔料和PCB，同時進(jìn)行庫存、在制物料隔離；然后進(jìn)行產(chǎn)品特征認(rèn)證，以保證所有產(chǎn)品特征工藝如預(yù)期一樣運行。一旦完成此項活動，就可以啟動量產(chǎn)制造了。





　　第一塊無鉛單板的制造導(dǎo)入

　　導(dǎo)入到亞洲大批量制造工廠的第一款無鉛單板是一個低復(fù)雜度的消費類產(chǎn)品。隨著無鉛組裝需求日益提高，在亞洲所有工廠都開展了無鉛工作，其中2/3的工廠進(jìn)行了15種不同組件的大批量生產(chǎn)。開始切換的無鉛產(chǎn)品會是低復(fù)雜度的單板，隨著實施時間限的臨近，所加工單板的復(fù)雜度會逐漸提高。開始切換的單板一般都只需要進(jìn)行SMT加工，但現(xiàn)在有些就需要使用無鉛波峰焊工藝了。

　　生產(chǎn)現(xiàn)場管理：對于整個無鉛組裝實施的平穩(wěn)推行，遇到的最大問題就是生產(chǎn)現(xiàn)場管理。在原型機加工時會在專門的設(shè)備上進(jìn)行，整個控制會非常小心，然而一旦進(jìn)入量產(chǎn)加工，需要更加關(guān)注無鉛組件、元器件和輔料的管理。一個基本要求是無鉛生產(chǎn)工具不能被錫鉛焊膏污染，同時輔料體系絕對不允許混淆，必須對生產(chǎn)線實施嚴(yán)格管理，包括在試制前專門劃分一個錫鉛材料用專區(qū)，這是一個絕對必須的要求。一旦可以實施，需要安排專門生產(chǎn)線和專門區(qū)域，以減少污染和混淆的風(fēng)險，如圖8所示。



　　元器件管理：對元器件進(jìn)行隔離也是一個重要的問題，尤其是無鉛元器件廠家型號沒有進(jìn)行變化的情況下，這時現(xiàn)場操作員根本無法判斷元器件是否是RoHS符合元器件。從客戶那來的庫存元器件更會增加這種混亂，因為這些元器件通常會有一個新的“客戶”器件型號。所以關(guān)鍵的是開發(fā)并實施一套系統(tǒng)，讓操作員可以較容易地判斷現(xiàn)場元器件的符合情況，以避免在符合單板上使用非符合的元器件，同時預(yù)防在錫鉛單板上使用非向后兼容符合元器件。

　　返修工藝：在上量階段的另一個挑戰(zhàn)，就是產(chǎn)品從錫鉛工藝切換到無鉛工藝的返修工作，在切換期間，工廠內(nèi)有可能存在產(chǎn)品的錫鉛和無鉛版本共存的情況，因此，關(guān)鍵是每塊單板進(jìn)行返修時，可容易地識別其組裝工藝。操作員必須清楚地面判斷每塊單板原始組裝工藝的重要性，然后使用相應(yīng)的返修工藝。

　　制造過程中優(yōu)化工藝窗口

　　然而，實施并不是整個過程的結(jié)束，雖然通過試驗板階段得到了基線制造工藝，但需要對各個工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化工作。持續(xù)的改善活動，尤其是相關(guān)新工藝的改善，可以幫助我們充分了解工藝直通率的上下限，同時也可以改善各工藝的直通率情況。

　　無鉛實施的主要變化的關(guān)鍵工藝之一就是焊膏回流。早期的研究顯示，已有的回流爐可以用來進(jìn)行無鉛焊接，但必須對工藝窗口影響進(jìn)行更為詳細(xì)的評估。
對于無鉛工藝，SAC305和SAC405焊料熔點是217℃，為了形成一個好焊點，推薦最小回流峰值溫度是232℃，J-STD-020C中限制器件最高溫度為245℃~260℃。這些限制的結(jié)果是，與錫鉛工藝相比，無鉛工藝的工藝窗口變小，這種情況在大尺寸、高熱容密度的單板上尤其嚴(yán)重，因為要使板上最小的分立元件和最大的BGA焊點都在工藝窗口范圍內(nèi)的確是一個挑戰(zhàn)，而且每個產(chǎn)品的回流曲線都需要小心優(yōu)化。

　　這對熱風(fēng)返修也是一個挑戰(zhàn)，因為元器件本體的溫度要遠(yuǎn)高于焊點的溫度。圖9列出了回流工藝的實際工藝窗口，在返修工藝中可能會達(dá)到最大允許溫度。



　　在實際產(chǎn)品單板上進(jìn)行回流曲線測試，而不是對試驗板進(jìn)行測溫，將有助于評估實際單板回流曲線是否在工藝窗口范圍內(nèi)的能力。我們進(jìn)行了四種不同單板的測溫，單板厚度從 0.036到0.092,單板尺寸從5.3x4.3到19.6x15.0。試驗發(fā)現(xiàn)，回流中板上最小元件的溫度一般是最高的，大元件的溫度較低。一般地，可以確定對單板進(jìn)行溫度設(shè)置并確保板上所有封裝本體的溫度都符合J-STD-020要求是可能的，如果某個單板上的某個元件過熱，它是可以通過進(jìn)一步的工藝優(yōu)化得到改善解決的。

　　另外進(jìn)行0.135厚試驗板的測溫試驗，以評估對更有挑戰(zhàn)性單板的返修工藝能力（前期已對薄單板進(jìn)行過驗證）。試驗發(fā)現(xiàn)，返修工藝過程中焊點和封裝本體溫度一般是230~255℃，低于260℃最高溫度要求。雖然這對于返修工藝能力來說是一個鼓舞人心的結(jié)果，但需要注意將實際單板的元器件頂面溫度調(diào)制到規(guī)格限內(nèi)的優(yōu)化工作是一件比較困難的事。

　　檢測作為組裝的一部分，需要進(jìn)行分析以確保自動檢測設(shè)備具備無鉛單板檢測的能力，同時對焊點缺陷情況做出精確的判斷。無鉛焊點外觀與錫鉛焊點不同，如圖10和圖11所示，焊點看上去灰暗而且顆粒粗大，通常焊料潤濕元件引腳和印制板焊盤范圍較小。自動檢測設(shè)備必須具備能力判斷哪些是真的缺陷，哪些是正常的無鉛焊點。需要驗證評估AOI設(shè)備是否有能力準(zhǔn)確識別不同焊點外觀下的焊點缺陷，同時不會有許多誤報。



　　在AOI和AXI設(shè)備上進(jìn)行自動檢測試驗，以評估設(shè)備缺陷漏測率和誤報率的能力情況，同時進(jìn)行無鉛工藝和錫鉛工藝直通率的對比分析。

　　在此項試驗中，共加工和檢驗了近20,000塊無鉛單板，如圖12所示。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示無鉛單板的檢測誤報率稍微增加，但缺陷漏測率沒有明顯增加。雖然誤報率增加，但它仍然在可接受范圍內(nèi)，而且通過進(jìn)一步優(yōu)化檢測程序，這個值會下降。對于不同的無鉛焊點外觀，需要對測試程序進(jìn)行修改，不可能直接使用現(xiàn)有的錫鉛程序。



　　需要注意的是：無鉛工藝的整體工藝直通率要比傳統(tǒng)的錫鉛工藝直通率低，如表1所示。由于本試驗已經(jīng)完成，后續(xù)將會對無鉛工藝直通率進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，力求達(dá)到批量錫鉛組裝工藝的同等水平。



　　結(jié)論

　　RoHS符合制造切換是一個復(fù)雜的，但又是可管理的過程。重要的是要了解潛在的技術(shù)問題，同時在批量制造前進(jìn)行相關(guān)工藝試驗，以評估現(xiàn)有設(shè)備能力并識別基線工藝。必須做出并實施解決各種供應(yīng)鏈和物流問題的計劃，以確保在工廠系統(tǒng)內(nèi)可以很好地管理符合元器件，同時生產(chǎn)符合認(rèn)證所需要的數(shù)據(jù)可以隨時獲取。對于每條準(zhǔn)備啟動RoHS符合制造的生產(chǎn)線，必須開發(fā)并實施培訓(xùn)、文檔化、制造認(rèn)證等工作。如果這些工作每項都得到很好地管理，實施的沖擊和困難將會大大降低。