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1、Green globe our home,Foxconn Technology Group,SMT Technology Development Committee,SMT Technology CenterSMT 技術中心,ROHS PCBA產品管理作業辦法,目 錄,RoHS PCA制程概述RoHS物料選擇合金選擇元器件選擇PCB要求RoHS 制程轉換RoHS轉換方針回流焊波峰焊焊接檢查測試重工與維修可靠性驗證鉛污染預防,RoHS PCA制程概述,RoHS制程的導入RoHS產品定義為符合RoHS要求的產品,RoHS制程即為生產RoHS產品的制造過程.對於PCA制程,主要的 RoHS 限制物質
2、就是鉛.所以鉛的替代以及制程中鉛的控制是我們的重點.成功實現RoHS制程需要全面的制程定義,合理的材料選擇,和持續,條理化的反饋檢查和分析。RoHS 導入五步法:1 選擇合適的焊料和設備 2 定義制程 3 開發健全制程 4 進行無鉛制程生產 5 管控并完善制程,RoHS,RoHS PCA制程概述,RoHS對PCA制程影響概述多數的現有制程不會有大的影響 元件/焊料成本增加 無鉛焊接的污染問題會影響可靠性 更高的焊接溫度 無鉛焊料較差的潤濕性 需要更加嚴格的物料檢驗和管控 需要專用性能更好的設備,RoHS PCA制程概述,RoHS制程的主要挑戰PCB與元件的兼容性問題有關無鉛標識,測試驗證的工業
3、標準還比較缺乏無鉛焊料的應用還不成熟制程中會出現更過的不良諸如空洞,上錫.可靠性數據的應用與關聯昂貴物料的成本控制更小的制程窗口,RoHS PCA制程概述,RoHS 制程 VS 有鉛制程,RoHS物料選擇,無鉛合金選擇,錫鉛焊錫的使用根源:铅是自然界分布很广的元素，地壳中含量为0.0016.由于铅的独特性质-柔软性、延展性、低熔点和耐腐蚀,使铅成为应用最广泛的金属之一.在锡中加入铅可以获得锡和铅都不具备的优良特性:(1)降低熔点,便于焊接 Sn(231.9oC)Pb(327.5oC)共晶熔点 183 oC(2)改善机械性能,抗拉强度和剪切强度都增强(3)降低表面张力,有良好的流动性,润湿性好(
4、4)抗氧化性增强,抗腐蚀性好(5)导电性好(6)焊点外观好,便于檢查(7)铅的资源丰富,成本低,無鉛合金選擇,选择用来取代鉛的材料必须满足以下要求 原料来源广泛.无毒性.易于使用 可循环再生的,無鉛合金選擇,替代铅的材料及其相对价格 一般来说，几乎所有的無鉛焊錫都比锡/铅共晶的润湿性能(扩散性)差總合考慮,目前還没有開發出能与共晶锡铅相媲美的替代品,無鉛合金選擇,Sn,Ag,Cu 系统的合金具有相当好的物理和机械性能,是無鉛合金的主要选择.為確保回焊,波峰焊,維修及重工之間的兼容性,在RoHS轉換階段,我們選擇SAC305合金為RoHS焊料的基礎.SAC305 即 96.5%Sn-3.0%Ag
5、-0.5%Cu.為什麼選擇SAC305?生产经验接近共晶温度(220)行业认可相对低毒性易与使用广泛应用于亚洲电子行业有效控制成本(比其它SAC 材料成本低)与重工,波峰焊,回焊等兼容性好,無鉛合金選擇,無鉛焊料特點(SAC305):熔点高,183 vs 217.表面張力大,流動性差,潤濕性差延展性有所下降拉伸强度和耐疲劳性强比Sn/Pb优越.对助焊剂的热稳定性要求更高.高温下对Fe有很强的溶解性.,RoHS元器件的選擇,元器件必須滿足RoHS的要求,并有確且的含量定義.所選元器件要同RoHS制程兼容。元件應該能够抵抗无鉛製程所需的较高温度.一般無鉛元件需要耐受260度的無鉛制程溫度.從元件供
6、應商處確認所用的元件是否適用於特定的進程。依據焊錫合金、設備選用、產品設計的不同，每一種板卡制程要求的溫度可能不一樣。,高溫下元器件不良,RoHS元器件的選擇,BGABGA类錫球合金必須與所選擇的錫膏兼容.BGA 製造商一般選擇錫銀銅合金作為錫球.原則上錫鉛和無鉛 BGA包裝不可以混裝在同一片板上如果通過焊點可靠性測試與SAC錫膏兼容,也可以使用其他合金成分元件端子鍍層只允許使用無鉛處理,目前首選的鍍層為Ni/Pd/Au(鎳/鈀/金),其次為Ni/Pd,粗錫鍍層也可接受噴錫是一種替代錫鉛處理的引腳處理方式,但要考慮錫須的影響.所選擇焊料表面處理的兼容性應該經過焊點可靠性測試得評估,SAC,錫球
7、,鍍層,RoHS PCB要求,PCB材質PCB符合RoHS要求,包括PCB材質,油墨,鍍層.PCB能夠經受無鉛高溫制程.適用于有鉛制程的PCB用于無鉛制程時會產生可靠性問題.變形,PAD脫落,孔環脫落,裂縫等,高溫下PCB不良,PCB表面處理PCB表面處理必須是無鉛的,要與所選擇的RoHS合金兼容,每種處理方式都有其優缺點.目前我們主要為OSP和Im-Ag.,RoHS PCB要求,錫須介紹,純錫鍍層會產生錫須(PCB&元件),錫須會引起許多嚴重的可靠性風險,比如導致電路短路.錫須是一種自然發生的現象,在純錫處理的鍍層錫須產生的過程如圖所示.多數的錫須是單一晶體,隨時間“成長”,有的會長到10m
8、m以上.一般可接受的標準在50um以下.錫須有許多形狀,絲狀,結狀,柱狀,針狀,丘狀等,錫須的成長,錫須的影響和預防業界還在研究中目前降低錫須造成的可靠性風險的方法使用大顆粒的粗錫鍍層(2um)加厚純錫鍍層(10um)保形塗層 Conformal coating增加鎳基鍍層(Cu/Ni/Sn)回焊錫鍍層減小壓力蘸錫處理大間距元件(PTH)在錫鍍層中加入其他元素(Cu,Bi)嚴格控制錫鍍層制程,錫須介紹,RoHS制程轉換,RoHS制程轉換方針,RoHS轉換就是由目前的有鉛產品生產向RoHS產品生產轉換的過程方案A是我們採取的.,Pb content,RoHS Compliance,Tin lea
9、d solder,Mix technologyNot RoHS Compliance,Sn/Pb,Option C,Option A,Option B,關鍵方面=(TDSI)教育訓練(Training)文件制作(Documentation)區分隔離(Segregation)驗證分析(Identification)專門的RoHS生產線和作業區域所有RoHS物料要標示並存放于指定區域所有RoHS治具要標示清楚并與有鉛治具區分所有參與RoHS生產之人員必須完成訓練和認證所有作業辦法和操作手冊必須專用于RoHS,RoHS 轉換我們要做什么?,RoHS 教育訓練,所有參與RoHS生產的人員必須經過相關教
10、育訓練并認證合格,實行佩證上崗.不同的級別和工站進行不同的訓練,有訓練記錄,RoHS 文件管控,發行專用文件來實現RoHS生產中各環節的管控.,RoHS區分隔離,RoHS生產區域標識RoHS物料標識RoHS專用治工具標識人員標識,關鍵:區分出RoHS與有鉛,RoHS 轉換檢查,RoHS生產前需要對生產線及相關的區域等方面進行檢查,以確保所有程序都是符合要求的.,無鉛回流焊,概 述 回流焊,就是把印刷好的錫膏通過回流焊接形成焊點,把PCB與SMT電子元器件焊接起來,达到电气功能.無鉛回焊的特點:高溫,较差润湿性,焊點外观黯淡粗糙,延展性差,空洞多.,無鉛回流焊,高溫的回焊制程,會增加PCA和元器
11、件的熱衝擊.PCB 的彎曲,變形會影響BGA 的可靠性.因此在回焊過程,使用合理的治具控制PCA 的彎曲非常重要.為了獲得良好的焊接品質,建議使用氮氣回焊設備.闭环焊剂分离/收集系统可去除再流焊设备内部95%的焊剂残渣,同时保证氮气的再循环利用空气再流焊设备采用還需要有过滤器系统,最小化排放废气污染以满足環保要求.,無鉛回流焊,曲線的獲得要通過測溫板來測量,測溫板的制作原則等同于有鉛制程.RoHS溫度的提升需要對測溫板的使用壽命重新評估.,RoHS回焊溫度曲線的規格來自於錫膏供應商的推薦,行業標準的規定,客戶的要求,以及工程經驗.(最終決定於PCA 的複雜程度及錫膏供應商的推薦.),無鉛波峰焊
12、溫度曲線示例,All parameters meet the defined specs.,無鉛波峰焊,概 述 波峰焊,就是將助焊劑塗布在PCB背面,并使之預熱到活化溫度,利用焊錫將PCB與PTH電子元器件焊接起來.無鉛波峰焊的特點:高溫,较差的流動性,润湿性,易產生錫渣,焊點外观黯淡粗糙,延展性差.,無鉛波峰焊,無鉛波峰焊制程轉換無鉛焊料會腐蝕與它接觸的設備部件,RoHS制程的波峰焊設備應採用耐高溫,耐腐蝕的合金材料(不鏽鋼+鍍鈦合金)理想的狀況是使用專用的RoHS設備.現有的波峰焊設備轉換為RoHS時必須注意以下几點:錫槽必須先用純錫清洗,然後熔無鉛錫條.所有用于有鉛的容器在投入RoHS應
13、用時必須仔細清潔.為保持錫的純度,保證無鉛品質,錫槽合金成必須定期檢測.任何輕微的鉛污染都會嚴重影響焊點的可靠性,所有PTH元件必須保證為RoHS元件.使用無鉛焊錫時產生的錫渣比使用Sn/Pb焊錫要多.,無鉛波峰焊,無鉛波峰焊不良表現無鉛波峰焊接常見不良:不上錫少錫縮錫拉尖冷焊焊點起縐吹孔錫球焊盤翹曲連錫PCA經過波峰焊會發生漏銅現象,無鉛焊料對銅的吸收能力很強,即所謂的食銅現象.尤其是采用OSP表面處理的PCB.對於錫銀銅焊錫可採用錫銀SAC300的錫棒進行銅含量調整.,PTH孔上錫是無鉛波峰焊接的重點和難點.無鉛焊料焊接OSP板可以用以下方法來提高通孔填充:降低鏈速,以延長焊錫時間 增加助
14、焊劑噴塗量,減少熱風刀壓力使用活性更強的助焊劑,如水洗助焊 劑或固含量更高的助焊劑 提高錫波高度 提高錫爐溫度 使用固含量,酸性更高的助焊劑 開啟擾流波輔助焊接 改善波峰焊載具,無鉛波峰焊,錫爐溫度直接影響孔上錫.,鏈速越低,填充效果越好.,波峰焊助焊劑(FLUX)介紹,助焊劑的四大功能清除焊接金屬表面的氧化物;在焊接物表面形成一液態的保護膜隔絕高溫 時四周的空氣,防止金屬表面的再氧化;降低焊錫的表面張力,增加其擴散能力焊接的瞬間,促進焊錫與受熱元件和鍍層結合,順利完成焊接。無鉛制程對助焊劑的要求 1.使用活性更強,或固含量更高的助焊劑 2.助焊剂的热稳定性要求更高.,無鉛波峰焊,無鉛波峰焊,
15、在錫爐區域使用氮氣將會減少錫渣產生,同時提高焊料的潤濕性.氮氣 會減少板面和元件產生氧化,由此來彌補無鉛焊料潤濕性差的影響,尤其對免洗助焊劑顯得更為重要.氮氣也可以減少連錫和拉尖,可以改善較厚板的通孔填充效果.通用的RoHS波峰焊溫度曲線的規格來自於助焊劑供應商的推薦,行業標準的規定,客戶的要求,以及工程經驗.無鉛波峰焊溫度曲線示例,All parameters meet the defined specs.,無鉛焊接的檢查,與錫鉛焊點相比,無鉛的焊點光澤較暗,多粒,多坑無鉛焊點延展性較差,外觀差異較大由於如上差異,缺少經驗的人員可能會誤判誤判的結果將會反映在冷焊,少錫,空焊上RoHS制程目檢
16、的檢查標準可能要做修正檢驗人員需要重新進行教育訓練,增強對無鉛焊接的認識IPC-A-610是通用的板子裝配檢驗規範.目前新版(IPC-A-610D)已經發行,其中增加了對無鉛焊接的檢驗標準.X-Ray&AOI檢驗沒有大的影響,但需要針對無鉛工藝進行重新設定.,無鉛制程ICT,無鉛焊錫表面殘留比較堅硬,ICT測試難度增大.為了能夠刺穿表面殘留,達到更好的接觸效果,需要更大的測試力和新型的高彈力探針.測試壓力的增加會加大測試治具對PCA及元件的損壞,所以所用的測試治具要經過應力測試和破壞性試驗如紅墨水,切片等驗證.使用高彈力探針,無鉛制程ICT,焊錫表面的堅硬和測試壓力的增大使得探針更易磨損.在R
17、oHS免洗制程中,應選用免洗探針.OSP表面處理是ICT的難點.一般需要在測試點上沾錫來提高測試性.測試點沾錫可以通過兩種方式來實現:測試點印刷錫膏,經回焊后形成有錫測試點(雙面制程).選用鏤空的波峰焊載具,通過波峰焊來達到測試點上錫(單面制程).,維修與重工,手工維修SMT被動元件和小元件的重工使用烙鐵,主動元件重工使用熱風裝置基於無鉛焊錫的特性,烙鐵溫度可達360400 0C.而且烙鐵的功率也需要增大.不同元件選擇不同的烙鐵頭無鉛的維修目前還很不成熟(溫度和作業).對於一些複雜的PCA或元件,還需要預熱以降低PAD受損.为了得到合理的维修效果在重工时避免交叉污染 不同的助焊剂 不同的合金,
18、維修與重工,BGA重工BGA 重工工站需要更强大的加热設備SRT-1100HR 重工系統需要有電腦來監控時間和溫度,溫度需要用熱電耦來測量.重工使用的錫膏印刷治具/設備應該能夠精確對位,所印刷的錫膏量應該等同于正常印刷制程.當殘留不應響電氣性能時不需要清洗.重工後應該有X-Ray檢查系統進行檢查.,維修與重工,小錫爐/錫槽重工 PTH元件的重工使用專用的無鉛小錫爐 小錫爐實際上就是一個小型波峰焊,小錫爐需要有自動的錫波控制系統和預熱能力.小錫爐的噴錫開口應該由元件的尺寸來設計.材質使用耐腐蝕的鈦合金.針對重工和維修,PCA浸泡在無鉛錫波的時間必須嚴格控制,減少PCA受熱和元器件的損壞.一般要求
19、浸錫時間不超過15s.錫樣成分需要要做檢驗,把污染降低到最小限度.,RoHS產品可靠性驗證,工藝驗證-目檢-AOI-X-Ray清潔度驗證-離子測試-SIR&ECM完整性驗證-推拉力測試-切片測試-紅墨水測試-C-SAM-IST 測試,焊點外觀檢驗(SMT),焊點是否上錫良好,助焊劑殘留,焊點外觀是否允收.檢驗標準 IPC-A-610D.,OK,NG,PCA表面是否清潔無殘留,外觀是否有其他焊接不良,焊點外觀檢驗(PTH),OK,NG,X-RAY 檢驗,BGA,DIMM,E-CAP,BGA 是否焊接良好,有無空洞.PTH孔上錫狀況,NG,OK,切片分析,BGA,焊點是否焊接良好,有無空洞,裂痕,
20、上錫不足.,DIMM&E-CAP,VIA,OK,QFP,NG,鉛污染預防,铅污染,由于在向無鉛工艺的转换过程中仍然会有大量的锡/铅产品生产和存在,因而產生铅污染的機會很大.过去一直认为無鉛合金中含有铅是可以接受的.实事上,無鉛体系中晶体结构的金属间化合物是不溶的,它会在引脚边析出,在焊点处形成空穴从而导致焊点失效.,铅污染,鉛作為雜質進入到焊點中會增加焊點的強度,但會產生金屬間結晶結構,降低了焊點的延展性和韌性,從而加大了焊點破裂的風險.更重要的時,鉛的混入使得產品中鉛超標,就不可以稱其為RoHS產品.任何輕微的鉛污染都會嚴重影響焊點的可靠性 任何悉知的鉛污染問題都必須得到客戶的承認.總之,要
21、避免铅污染,鉛污染的途經,制程中造成鉛污染的途經在貼有RoHS標簽的產品含有超標的鉛雜質時進行交貨.在貼有RoHS標簽的產品實際上是有鉛產品時進行交貨.污染焊料槽,這樣就會連鎖造成許多其它電路板的污染.由於一些焊點的在進程中被錯誤的處理,造成污染.,鉛污染預防,專綫生産波峰焊設備一旦被用於無鉛焊接，那麽它一般被專用於無鉛焊接。由於產線的規劃,這就意味著整條產線都必須在同一時期内專用於處理RoHS波峰焊產品.整個產品車間可分爲RoHS產品製造部分和SnPb產品製造部分。要使得損失最小就要求仔細的考慮使得產線的轉化與產品的轉化同步。,鉛污染預防,避免元件的混裝要求供應商對每個RoHS元件提供一個獨
22、立的料號.不推薦在不使用獨立料號的情況下(比如以日期編號)進行RoHS轉換.對於那些沒有供應商料號標致的元件,要求供應商提供一種方法來確定其所供應的產品是RoHS的(比如不同的元件記號).對新的RoHS元件指定新的內部料號.P/N-G(ODM)直接使用客戶RoHS料號,鉛污染預防,防止電路板混裝當Sn/Pb和RoHS產品是在同一設備上生産時，一定要將不同制程的電路板區分開。當同一產品存在有鉛和RoHS兩種版本時,將它們放到同一產線生產生產將會有很大的風險要 求:以某種方法標誌RoHS產品,這樣便於區分.標誌專用的產線和設備.為RoHS和有鉛電路板的重工建立和標誌獨立的重工區域.當電路板經由非產
23、線區域回到產線時,一定要確認電路板是正確的種類.,鉛污染預防,PCB的標識IPC-166*&JEDEC-97*要求,使用不同合金的焊料和元件處理以及組裝應使用不同的標籤標示.1 e1-錫銀銅(不包含在 e2中)2 e2-其他不含鉍或鋅的錫合金(即 錫銅,錫銀,錫銀銅+其他金屬 等)3 e3-錫 4 e4-貴重金屬(如 金,銀,鎳鈀,鎳鈀金,但不含錫)5 e5-錫鋅合金(不含鉍)6 e6-含鉍的合金 7 e7-含銦低溫焊料(熔點低于150 0C),(不含鉍)方法:標籤應貼于PCB正面合適的位置,標籤的大小和顏色沒有特別要求,但要能夠清楚識別.對於制程中出現多種合金的組裝,如回焊與波峰焊所用合金不同時,就需要依照制程順序依次貼裝各合金之標識.如有必要還會標識不含鹵素,保形塗層等標識.,制程的兼容性,向前兼容是指在RoHS制程中使用含鉛元件,向後兼容是指在含鉛制程中使用RoHS元件.向前兼容的組裝會產生可靠性問題和元件損壞(元件忍受不了更高的峰值溫度),一般是不可行的.向後兼容已經存在于一些組裝中,并a有可能作為過渡階段的一種措施.但是向後兼容組裝中禁止使用RoHS BGA,即含鉛制程不得使用無鉛 BGA.為了避免鉛污染,不提倡採用兼容制程.RoHS制程中應該使用RoHS物料.,Thanks!,結 束,
