欧盟RoHS指令对电子产品可靠性的影响

50欧盟RoHS指令对电子产品可靠性的影响目前，全球每年产生的电子垃圾达3000~5000万吨，特别是欧美等发达国家，由于电子产品的更新换代速度快，电子垃圾的产生速度也非常惊人。电子垃圾主要由废弃的家用电器、通讯工具、电池类产品组成。目前，我国也将迎来了电子产品报废的高峰期。欧盟已经采用许多法律手段来禁止和限制电子行业铅的使用。2003年2月13日，欧盟委员会通过了RoHS指令，该指令规定从2006年7月1日起，进入欧盟市场的电子电气产品不得含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚等6种有害物质，要求企业开发应用符合标准的环保材料。RoHS指令连同之前发布的WEEE指令，强制一些生产企业为了能继续出口自己的产品，不得不更改自己的工艺，更换自己的原材料。根据SGS官方统计，测量一台电视机的电子元器件和PCB等费用就高达30万元，对一般规模的厂家都是很大的负担,因此厂家多数对生产流程和其他流程的原材料进行控制必须从生产流程和各个流程的原材料进行控制。目前，电子制造正处于从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段，无铅材料、印制板、元器件、检测、可靠性等方面都没有标准，由于有铅和无铅混用时，特别是当无铅焊端的元器件采用有铅焊料和有铅工艺时会发生严重的可靠性问题。本文主要从几个方面来介绍RoHS指令对产品可靠性的影响。一．对元器件供应商的影响。很多元器件以前对温度的可靠性都是对铅锡焊料的温度（180℃）设计的，使用无铅焊接后，焊接温度更高，原来的元器件还能不能满足可靠性要求。常用无铅焊接使用Sn-Ag-Cu焊料温度为210℃。无铅工艺对元器件的挑战首先是耐高温，必须要考虑高温对元器件封装的影响。由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐240℃高温就能满足有铅焊料的焊接温度了，而无铅焊接时，对于复杂的产品焊接温度高达260℃，因此元器件封装能否耐高温是必须考虑的问题。高义田（广州飒特电力红外技术有限公司510730）另外还要考虑高温对器件内部连接的影响。IC的内部连接方法有金丝球焊、超声压焊，还有倒装焊等方法，特别是BGA、CSP和组合式复合元器件、模块等新型的元器件，例如倒装BGA、CSP内部封装芯片凸点用的焊膏就是Sn-3.5Ag焊接，熔点221℃，如果这样的器件用于无铅焊接，那么器件内部的焊点与表面组装的焊点几乎同时再熔化、凝固一次，这对于器件的可靠性是非常有害的。因此无铅元器件的内部连接材料也要符合无铅焊接的要求。有铅元器件的焊端绝大多数是Sn/Pb镀层，而无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。究竟哪一种镀层最好，目前还没有结论，因此还有待无铅元器件标准的完善。无铅工艺对助焊剂的要求，首先由于焊剂与合金表面之间有化学反应，因此不同合金成分要选择不同的助焊剂。无铅焊剂必须专门配制。随着无铅进程的深入，由于焊料厂商的努力，无铅焊膏质量有了很大改善。目前的无铅焊点从外观上看已经比前几年有了改善。另外高温对元件有不利影响。陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率(温度的变化速率)非常敏感，由于陶瓷体与PCB的热膨系数CTE相差大，在焊点冷却时容易造成元件体和焊点裂纹，元件开裂现象与CTE的差异、温度、元件的尺寸大小成正比。0201、0402、0603小元件一般很少开裂，而1206以上的大元件发生开裂失效的机会较多。铝电解电容对温度极其敏感。连接器和其他塑料封装元件(如QFP、PBGA)在高温时失效明显增加。粗略统计，温度每提高10℃，潮湿敏感元件(MSL)的可靠性降1级。解决措施是尽量降低峰值温度，对潮湿敏感元件进行去湿烘烤处理。二.对PCB生产厂商的影响：PCB作为各种元器件的载体，其可靠性相当重要。从PCB组成上来看，主要有板材、防焊剂、字符、表面处理。对于防焊剂、字符、表面处理主要是成分上的控制，表面处理可使用无铅的喷锡和沉金或osp等。对于板材，从成分上来看有很多人误解，因为板材中含有溴，是作为阻燃的一种成日用电器2009.07www.qschina.com51分，但溴的存在状态并不是RoHS所禁止的多溴联苯和多溴联苯醚。从可靠性来讲，一块PCB的几种基本物质为铜、树脂和玻璃纤维布。无铅焊接的更高温度，如果将一个PCB看成一个立体长方形，在xy方向上，铜焊盘和树脂的热膨胀的差异会导致焊盘的脱落，导致器件和PCB脱离。在z方向上，孔内镀铜和树脂的受热膨胀的差异会导致孔壁被拉断导致开路。在PCB的内部，树脂和玻璃布的热膨胀的差异又会导致整个PCB的分层。设计的叠层如果不是中心对称，更容易导致翘曲的产生从而导致虚焊。对于设计者来说，选择板材很重要。目前一般的硬件工程师选择的材料，TD300度tg170CTE在xyz方向尽量小。能满足T260、T280、Q1000最好。三.对元器件贴装工艺的影响：无铅焊料代替原来的锡铅体系焊料，基本要满足共溶点低，对铜面的浸润性要好。目前流行Sn-Ag-Cu体系。从可靠性来看，主要满足元器件引脚、焊料、PCB铜焊盘的热膨胀性能的差异，否则会导致元器件横向脱落。自从生产SMT组件以来，批量式再流焊工艺期间无源片式元件的所谓的“墓石”现象就一直困扰着电路组装者。简单地描述“墓石”现象是小型片式元件或在将两端焊接到SMT焊盘时，在再流期间元件部分地或全部地抬起、突然竖直立起；有时抬起是部分的，有时是直立在焊盘的一端，就象坟墓上的墓石。面对激烈的竞争，电路制造者必须设法解决这一问题，因为“墓石”现象意味着再流焊后的返修，使得完成每一组件的成本升高。当无源元件越小、或在汽相再流焊工艺中、或在氮气再流系统中、或突然意想不到地采用新一批元件或PCB时，“墓石”现象发生的频率会增高。无铅焊接可靠性问题是制造商和用户都十分关心的问题。尤其是当前正处在从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段，无铅材料、印刷板、元器件等方面都没有标准，甚至在可靠性的测试方法也没有标准的情况下，可靠性是非常令人担忧的。现阶段的无铅工艺，特别是在国内还处于比较混乱的阶段。由于有铅和无铅混用时，特别是当无铅焊端的元器件采用有铅焊料和有铅工艺时，会发生严重的可靠性问题，这些问题不仅是当前过渡阶段无铅焊接要注意，而且对于过渡阶段的有铅焊接也是要特别注意的问题。因为铅是比较软的，容易变形，因此无铅焊点的硬度比Sn/Pb高，无铅焊点的强度也比Sn/Pb高，无铅焊点的变形比Sn/Pb焊点小，但是这些并不等于无铅的可靠性好。由于无铅焊料的润湿性差，因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比较多，另外由于熔点高，如果助焊剂的活化温度不能配合高熔点，由于助焊剂浸润区的温度高、时间长，会使焊接面在高温下重新氧化而不能发生浸润和扩散，不能形成良好的界面合金层，其结果导致焊点界面结合强度(抗拉强度)差而降低可靠性。据美国伟创力、Agilent等公司的可靠性试验，例如推力试验、弯曲试验、振动试验、跌落试验，经过潮热、高低温度循环等可靠性试验结果，大体上都有一个比较相近的结论：大多数民用、通信等领域，由于使用环境没有太大的应力，无铅焊点的机械强度甚至比有铅的还要高，但在使用应力高的地方，例如军事、高低温、低气压等恶劣环境下，由于无铅蠕变大，因此无铅比有铅的可靠性差很多。关于无铅焊点的可靠性(包括测试方法)还在初期的研究阶段。目前正处在无铅和有铅焊接的过渡转变时期，大部分无铅工艺是无铅焊料与有铅引脚的元件混用。在无铅焊点中，铅的含量可能来源于元件的焊端、引脚或BGA的焊球。有铅焊料与无铅焊端混用时，有铅焊料先熔，而无铅焊端(球)不能完全熔化，使元件一侧的界面不能生成金属间合金层，BGA、CSP一侧原来的结构被破坏而造成失效，因此有铅焊料与无铅焊端混用时质量最差。BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的。无铅焊料的返修相当困难，主要原因是无铅焊料合金润湿性差、温度高、工艺窗口小。无铅返修应注意：选择适当的返修设备和工具，正确使用返修设备和工具，正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料，正确设置焊接参数。无论从环保、立法、市场竞争和产品可靠性等方面来看，无铅化势在必行。目前无铅焊接还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不成熟，迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。技术·创新