在世界范围内,主要工业国家都在迅速消减有铅焊接制造工艺,其中包括PCB组件。北美、欧盟和日本都计划采用"无铅"技术,许多公司也尽可能快地放弃有铅焊接工艺。一些公司充分利用这一形势,把无铅技术作为加强其消费者市场的主要手段。

  转向无铅焊接技术几乎使PCB组件的方方面面都受到了影响,包括测试和检测手段。这里,我们着重论述一些相关的技术问题,以及无铅焊接给自动光学检测(AOI)、自动X射线检测(AXI)以及在线测试(ICT)等主要测试和检测技术带来的影响。

新型焊接技术的概念

  当前禁止使用铅焊料的趋势促使电子制造商和工业组织,如NEMI和IPC等,开始考虑转变传统的锡-铅焊接化学方法,寻求新的出路。泰瑞达公司参加了NEMI公司的"北美无铅焊接组件技术蓝图"、"无铅混合组件和返修项目"的制定,并加入了IPC 7-32焊接检测能力标准委员会。
  新型无铅焊接概念主要包括锡-银-铜和锡-铜焊接技术。大部分电子业同行为实现无铅焊接,正在向锡-银-铜合金家族转型。NEMI公司推荐了一种用于回流焊的Sn3.9Ag0.6Cu(+/-0.2%)和用于波峰焊的Sn0.7Cu"工业标准"无铅合金。然而,随着许多工艺的变化,应慎重考虑,采用更合适的配料比例,以适合更大范围的应用,使这种指定的合金既符合产品的营销要求,又经济实用。

回流温度

  无铅焊配料具有较高的熔点,可能会使元件与/或组件损坏。按照无铅焊接概念,SnAgCu的熔点温度从183℃提高到近217℃,峰值温度高达260℃。通过较长时间的预加热可以使高温得到适当降低。修复温度也受到影响,有些部件的修复温度可达280℃。

  这种较高温度下使用的元件必须进行资格认证,未经认证的元件要求进行手工组装。

光学检测问题

  检测无铅焊接基本上与检测常规的有铅焊接没有什么区别。无铅焊接的焊点外形看起来与传统的锡-铅焊点十分相似。检测属于哪种类型的焊接,关键是找到正确判断每种外形视觉特征的检测机理。

  然而,无铅和有铅焊接的焊点从外表看还是有些差别的,并影响AOI系统的正确性。无铅焊点的条纹更明显,并且比相应的有铅焊点粗糙,这是由于从液态到固态的相变造成的。因此,这类焊点看起来显得更粗糙、不平整。另外,无铅焊料的表面张力较高,不像有铅焊料那么容易流动,形成的圆角形状也不尽相同。这些视觉上的差异要求对AOI设备和软件重新校准。举例来说,某些有铅焊接AOI系统中设置的"自动通过值"可能与无铅焊接存在轻微的差别。

  如果当前正使用人工检测仪,并考虑转换为AOI系统,正是合适的机会,因为此时人工检测仪必须进行"重新校准"。

无铅焊检测的工业研究结论

  2002年泰瑞达公司资助成立了国家物理研究室(NPL),对AOI系统的无铅焊检测能力进行了独立评估。NPL是英国国家标准实验室,是独立的测量和材料科学研究、开发和知识转换中心,在国际上享有很高的声誉。
NPL对"无铅表面安装组件自动光学检测系统的比较"这一课题进行了研究,并在2002年7月公布了研究结果,旨在判断无铅焊接组件自动光学检测系统是否存在问题。

  供研究使用的测试对象是一种专门为此次研究制作的单色组件,一次制作了许多,有的有缺陷,有的没有缺陷。组件包括许多不同的焊接类型。每个组件包含近100个元件以及1400多个无铅焊点。设计的元件类型包括0.4mm节距256脚QFP,0.5mm节距TSOP,以及0402电阻。缺陷类型包括漏焊元件、未对准元件、尺寸正确但参数错误的元件、不良焊点、错误极性元件、焊接桥,以及焊接不平整元件等。

  参加AOI系统评估研究的有六个不同的制造商,其中包括泰瑞达公司。对无铅组件和常规有铅组件的检测使用相同的软件算法。研究表明,对无铅焊PCB的评估结果与有铅PCB相同,甚至更优。两者的错误检测率也十分相似。需要进行的测试次数与测试对象是否含铅无关。

  研究表明,虽然在不同设备上测试结果略有差别,但大多AOI系统可以用于无铅表面安装组件的检测。有些使用彩色算法和依赖单色摄像机的系统在评估无铅焊点时会遇到问题。实践证明,采用AOI系统对焊接分析时,不必用彩色图像,单色图像已包含了焊接分析所必需的全部信息。倾钦障嘞低扯砸恍㎎形铅缺陷的检测效果更好,例如焊接桥和不良焊点等。

自动X射线检测问题

  我们发现,无铅焊的球形焊点中虚焊增多。无铅焊的焊接密度较高,可以检测出焊接中出现的裂缝和虚焊。铜、锡和银应属于"高密度"材料,因此,像铅这类材料阻碍X射线的照射。所以,有必要对X射线系统进行重新校准,但是所有的X射线检测公司-无论他们生产手动还是自动X射线检测系统-都说自己的设备对于检测无铅焊接没有问题,但是为了进行优良焊接的特性表征、监控组装工艺,以及进行最重要的焊点结构完整性分析,对设备的检测要求有所提高。

无铅焊对ICT的影响

  前面已提到,锡合金是一种无铅焊选择,然而,锡焊会出现"金属须"现象-即小的金属凸起,伸出焊点或焊盘之外。这类须状物可能生长的很长,使两个焊区的电流过大,出现短路,引起设备故障。采用在线测试可以很容易地发现这一问题,但锡须的生长可能需要一定的时间,这可能是一个长期存在的可靠性问题。许多组织正在积极努力,如NEMI公司正在使用不同的锡合金,试图最大限度地减少这种现象的发生。

  为了优化无铅焊接的回流工艺,我们增加了焊剂的使用量,在非清洗环境,随着接触电阻的增大,可能污染探针头,对设备性能有损。因此,要求加强对设备的维护工作,或者把探针头改换为更尖锐的类型。但是,更尖的探针头可能与无铅焊的脆性发生冲突,引起损伤。由于无铅焊的脆性,在对测试设备中组件的弯曲特性加以限制时要加倍小心。

返修&修复问题

  最后要考虑的问题是无铅焊对返修和修复工作的影响。无铅合金的熔解需要较高的温度。如果组件上的元件尺寸较大,会出现较高的热耗散,因此应对元件进行预加热。由于采用无铅焊接,并且在裸PCB片中去除了某种阻燃剂,修复时要求的高温可能会损坏元件与/或组件。上面提到,NEMI公司正在通过"无铅混合组件与返修项目"研究这些问题。许多公司也都在努力减少或消除PCB组装线的缺陷,建立"零缺陷"组装线。

附注:

网上资源
www.leadfree.org
www.lead-free.org
www.ipc.org
www.nemi.org
www.npl.co.uk
无铅表面安装组件自动光学检测系统的比较
Martin Wickham & Chris Hunt, NPL
NPL Report MATC(A)119, July 2002
无铅焊规则

欧洲

OECD:2000年对地下水中铅含量的要求从0.05mg/L降低到0.025mg/L。
根据EU指令(WEEE&Rosh),从2005年6月开始完全禁止铅、镉、6-铬和非易燃性制剂卤素的使用。

USA

1990年:宣布禁止使用铅含量超过0.1%的焊料(但不包括电子行业。)
1999年:由美国电子零部件制造业、政府组织和大学组成的工业组织NEMI开始研究并开发项目,目标是2004年之前完全禁止有铅产品的制造。
2002年:加利弗尼亚65号建议。
在20个附加条款中,"终结使用"法尚未通过。

日本

1991年:通过工业废料洗提测试,如果检测到铅含量超过0.3mg/L,根据"废料处理法",必须在设备中对废料进行处理。
1994年:"禁止水污染法"把河水中铅含量标准从0.1mg/L降低到0.01mg/L。
2001年4月:"消费者电子再循环法"要求制造商回收有害材料。