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无铅工艺的标准化进展

更新时间:2015-12-23 17:26:17点击次数:1449次

1 无铅工艺概述
锡铅焊料已经伴随着电子信息产业走过无数个春秋,锡焊工艺自电子业诞生以前都已经得到了广泛的应用,并且一直以来成为电子制造中一个最关键而重要的环节。然而由于欧盟RoHS指令和中国《电子信息产品污染控制管理办法》(以下简称“中国RoHS”)以及其它相关环保法规的实施,含有铅等六种有害物质的材料或工艺都立即或将要被禁止使用,锡铅焊料中由于含有高含量的有毒有害的铅而在将被逐步禁止使用之列,现在有些国家或地区铅锡焊料已经被禁止使用。为此,可靠地使用了上千年的锡铅焊料和工艺将被无铅焊料和无铅工艺所取代,由于环保组织不畏余力的推动,以及法规的实施与市场竞争的影响,电子工业无铅化的环保趋势已经不可阻挡。为了配合好RoHS法规的顺利实施,本文将讨论实施无铅工艺所涉及的标准化问题。

广义上来讲,电子制造业就是一个互联的行业,即将不同的材料粘结(或互联)在一起生产出元器件,再将具有不同功能的元器件按照一定的原理互联在一起形成组件,再将组件机械件组合(互联)在一起就成为设备,将不同的设备组合(互联)在一起就产生了系统。因此,我们可以认为电子制造业就是一个由小到大的互联工艺过程。而焊接工艺则成为了电子制造中最重要、最高效、应用最广泛的互联手段,锡铅焊料及其工艺所形成的焊点则成为最可靠的互联接点之一。因此,如果在此基础上的电子制造中导入替代的无铅工艺,必将导致一场电子互联技术的革命。但是请注意,可千万别以为“实施无铅工艺就是把原来的锡铅焊料更换成为无铅焊料就可以了”那么简单!

限制铅的使用的法规最早在上个世纪九十年代初期就已经开始讨论,无铅焊料及其工艺技术和可靠性的研究在当时在全球范围内众多的研究机构中开展得异常热烈,直到上个世纪九十年代末期才取得初步得成果,研究结果认为在电子制造中实施无铅化是可行的,日本的松下甚至在1998年就生产出全球第一批无铅化的批量的媒体播放器。可是,与使用了上千年的锡铅焊料相比,无铅化还是太年轻了,许多问题至今也没有完全弄清楚,特别是涉及到高可靠性要求的电子产品至今尚无十足的把握推行无铅化。我们还缺乏充足的使用数据来证明无铅化产品的长期可靠性是有保证的。这就是为什么无铅化的推行是一个逐步渐进的过程,不能一蹴而就,中国RoHS在推行的时候充分的考虑到了这一点。所以至今为止,无铅化只是在普通的消费电子产品上推广应用,但是这对于法规的推行而言其作用与目标已经足够了,因为消费类电子产品由于其产量大正是影响环境的最主要因素。

无铅化的电子制造除了要使用熔点相对较高的无铅焊料来替代锡铅焊料以外,还必须考虑元器件、印制电路板、助焊剂、焊接设备的无铅化以及兼容性问题。由于无铅化工艺使用了更高熔点的无铅合金焊料,典型的合金主要为锡铜(Sn99.3Cu0.7)、锡银铜(SnAg3~4Cu0.5~0.7)以及锡银(Sn96.5Ag3.5)等,其熔点温度比起原来的锡铅焊料要高出30 ℃~40 ℃,因此,导致焊接的工艺温度再升高20 ℃~30 ℃。这样就要求元器件与PCB除了材质无铅化外,必须耐受更高的温度;设备也要求需要能够提供更高的施热效率,并且设备中的锡炉还必须能够耐高温熔融的无铅焊锡的浸蚀;相应地,助焊剂也要求要有更高地稳定性以及助焊活性。因此,所有与工艺相关的要素都需要针对无铅化作出相应的改进,方能适应无铅化的基本要求。由于受到材料的耐高温稳定性的影响,焊接工艺温度不可能无限提高或按照比例提高,因此,无铅工艺的工艺窗口就变小了,参数的设置与控制的难度就明显增加了,这样产品的成品率就必然受到影响。与此同时,与锡铅焊料相比无铅焊料还有润湿性下降的问题,进一步导致无铅工艺实施难度增加。所以,由于无铅焊料而带来的高温工艺、工艺窗口缩小以及润湿性劣化等无铅化特点,导致了实施无铅化的道路必然任重而道远。

2 无铅工艺标准化的重要性

在贯彻实施中国或欧盟RoHS的过程中,仅有一些针对六种有害物质限量、检测方法和标识的标准显然是不足够的。由于必须面对的技术标准问题没有解决,即使产品中没有六种有害物质或者六种有害物质的含量都符合要求,也并不表明中国的RoHS能够得到顺利的实施,因为这些符合环保标准的产品如果都存在质量或可靠性问题,出现许多甚至全都是废品的话,再环保的东西都失去存在的价值。我国在推行RoHS法规的时候,如果严重影响了整个电子信息产业的发展,必然无法顺利推行,无铅焊接这道门槛无论如何是我们必须认真面对的。

由于几乎所有的电子产品均涉及到锡焊互联这一工艺环节,因此无铅工艺的实施不仅已经成为电子制造中最核心的关键环节,而且成为RoHS法规能否顺利实施的关键影响因素。而无铅化的实施涉及到包括焊料、助焊剂、PCB、元器件、设备以及工艺、质量与可靠性等诸多的影响要素,如果没有统一的技术标准,这必然导致整个社会的成本增加,而且还阻碍技术进步。虽然工艺标准不是一个强制性的标准,当然它也不可能也不应该是一个强制性的标准,只要你成功的生产出合格的无铅产品,一般而言没有必要再强制工艺过程的统一性。但是,工艺相关要素的标准化却可以大大的降低生产成本、社会成本,加速产品进入市场的时间,促进技术的交流和进步,减少不必要的重复研究或试验,甚至在解决技术争端过程中都有十分重要的意义。

比如说无铅焊料的标准,当没有标准的时候,由于无铅焊料尚未有单一的能够替代锡铅共晶焊料(Sn63Pb37)的无铅合金,且种类较多。这就给用户在选择和使用无铅焊料的时候产生了很大的麻烦,而且有时候还会产生许多争议。每个用户都去深入研究合金的性能、分析其可靠性,满足要求之后再去选择或使用,这必然会浪费许多社会资源,延长了产品上市的时间。再如对于焊点的外观合格标准,如果没有统一的标准,在一个企业是合格的,到了另外一个类似的企业就不合格,那就比较麻烦了;另外由于无铅焊接的特点,许多无铅焊点表面都有少许裂纹,如果按照锡铅的标准判断都应该不合格的了,可是由于无铅焊接的特点目前绝大部分企业都认为这是合格的。因此,如果将满足要求的焊点判定为不合格,必然造成不必要的浪费,而如果把不合格的焊点产品判定为合格则会导致整个电子产品存在质量或安全隐患。如果有一个经过充分研究的合格评判标准,这些问题都将迎刃而解了。

需要指出的是,标准的制定过程中需要特别注意避免引起知识产权纷争问题。如果将某公司的专利产品写入标准中,就有可能造成使用该标准的用户侵犯专利的问题或必须缴交大笔专利使用费的问题,使得专利拥有者凭借该标准而赚取超常的不合理利润,而损害了使用者的利益。这不符合制定技术标准的初衷,应该尽量避免的。

无铅工艺是一个技术涉及面极广的制造过程,包涵设计、材料、设备、工艺与可靠性等技术。因此,任何一家企业或个人都难以完成标准化的工作,需要全行业众多企业和研究机构的共同努力才可以做到。作为一个任何一个电子信息产品都将会遇到的工艺过程,它的标准化无疑将解决了中国RoHS实施的最重要的根本的技术问题,大大促进了中国RoHS的顺利实施。因此,无铅工艺的标准化显得尤为重要。那种认为实施中国RoHS的过程中只需要《电子信息产品中有毒有害物质的限量要求》、《电子信息产品中某些有毒有害物质的检测方法》以及《电子信息产品污染控制标识要求》等标准就足够的想法或论调显然是不符合实际情况的。

3 无铅工艺的标准体系

从刚才的论述,我们都已经知道,无铅工艺是一个涉及面广的技术过程。那么哪些内容需要标准化?标准化又包括哪些内容呢?哪些标准是必须先着手制定的呢?因此,必须有个通盘的整体的考虑,不能今天遇到一个问题就定一个标准,明天遇到另外一个问题又制定一个新的标准,到时必然造成不必要的混乱。实际上,在某一技术领域,无论是国际电工委员会或是各协会的标准,通常会首先研究该领域的技术体系或标准体系,采用系统的方法来首先提出一个成熟的“标准树”,这个“标准树”就是标准体系的形象表示。然后再根据标准树与需求的轻重缓急来开展标准的制定工作,完善树枝树叶等各环节的标准。这才是一个科学的方法,而不是东一榔头西一棒子做出相互矛盾或互不相关的许多标准来。

标准体系的研究或制定一般是基于涉及对象的知识体系来开展的。对于无铅工艺而言,最基础最关键的是无铅焊料,然后是受其直接影响的助焊剂、PCB以及元器件。基于无铅工艺的三个特点:高温、小工艺窗口和低润湿性的焊料,无铅工艺中所使用的助焊剂在助焊活性以及热稳定性方面必然需要改进;元器件的电极或端子必须由有铅的替代为无铅,同时还必须确保耐热性;PCB的可焊性涂层必须改为无铅,基材满足耐热性的要求等等,还有测试方法也与原来的不同,这些依据原来锡铅焊料的标准都必须修改。

根据无铅焊接的技术体系以及影响要素,作者将整个无铅焊接体系表设计如图1。图中红色字体部分是第一批首先起草的几个标准,目前已经完成报批的所有程序,很快就可以对外发布,提供给企业实施无铅工艺时参考使用。

该体系表基本上很好的概况了无铅工艺涉及的关键要素,第一层次包括了无铅材料、印制板(PCB)、元器件、电路板组件(PCBA)、主要工艺设备以及焊接工艺等六个方面。由于材料是基础,所以先期开展起草的工作,需要指出的是材料中还包括表面贴装(SMT)用的焊锡膏和焊锡丝等,由于这二者均由助焊剂和无铅合金组成,只是形态不同因此没有单列出来,其中助焊剂标准中通常包括了技术要求和测试方法,因此也没有展开单独列出。另外由于元器件与PCB都有类似的工艺要求和被焊的特点,且种类繁多,为了便于生产管理以及使用方便,需要专门进行统一的标识,所以应该有统一的标识标准。对于元器件而言,为了工艺以及质量管理的要求,应该至少标识出必要的信息,例如最高耐受温度以及可焊性涂层的成分,以满足工艺兼容性的使用要求;对于PCB组件而言,焊接的工艺已经完成,应该更多的关注焊点的质量与可靠性指标,以及针对它们的检测方法,如果每个企业都有差异很大的质量标准的话,产业链的成本将显着攀升,所以PCBA的质量标准应该尽快有个规范。

至于焊接工艺通常可以给出一个通用的规范,它与锡铅焊接已经有很大的差别,对于许多刚刚接触或期望导入无铅工艺的厂家而言,这种通用规范的指导意义是非常大的。由于所使用的材料不同工艺必然有差异,制定一个标准来具体地规范工艺参数是不可行的,但给出一个通用的指导性的规范则是可行的必要的。直接与无铅工艺相关的设备就是电烙铁、波峰焊炉以及回流焊炉,设备的标准化是比较困难的事,相对于锡铅焊接设备而言,无铅焊接设备在热容、施热效率、施热的均匀性以及耐腐蚀性方面均需要改进或提升,另外为了进一步提升焊接的润湿性,许多设备增加了氮气保护装置。因此,大部分原来的焊接设备已经不能继续使用而必须更换。为了便于采购或评估新设备的性能指标是否满足无铅工艺的焊接要求,有一个设备的通用规范是必要的。目前IPC已经组织有关人员开始起草无铅回流炉的标准。

实际上,国外已经有一些无铅的标准出台了,比如说包括无铅部分的焊料标准(IEC61190,IPC/EIA J-STD-006B)和试验方法标准(如JIS Z3198-2003),这些标准都是围绕一个目标体系的,并且互相之间引用协调得非常好。建议我们的标准工作应该多借鉴他人的先进经验,组织行业里真正的专家首先开展体系表的研究,并依照体系表有序地逐步地推进无铅化标准的起草工作。本文所提出的体系表可以为此做一个参考。

为了更好的配合中国RoHS的实施,在原信息产业部成立的“电子信息产品污染控制标准工作组”之初,就在工作组的领导下分别成立了“限量与检测”、“标识与认证”与“无铅焊接”等三个标准起草项目组。其中“无铅焊接”项目组由中国电子材料协会牵头负责组织与无铅焊接有关的标准的起草工作,最后具体的工作又由关系密切的中国电子材料协会下属的“焊接材料分会”负责落实,其它工作组成员负责协助的工作。第一批立项要起草的标准有五个,即《无铅焊料――化学成分与形态》、《焊锡膏通用技术要求》、《无铅焊接用助焊剂》、《电子焊接用锡合金粉》与《无铅焊料试验方法》(含熔化温度、机械拉伸、扩展、润湿性、焊点拉伸与剪切、QFP引线焊点45度拉伸、片式元件焊点剪切、焊料动态氧化出渣量的测试方法等八个无铅焊料或焊点的试验方法)等。但是由于种种原因,无铅焊接标准由2004年开始起草至今一直没有出台,不久前刚刚完成报批的有关手续。据了解,延迟出台的主要的原因在于两个方面:一是标准中所列的无铅合金有不少主流的无铅焊料都是受专利保护的,一些合金并且没有经过充分试验验证,就是缺乏可靠性数据与性能参数以及实际的应用数据,担心写入标准后给用户带来风险;第二方面就是由不同单位承担的所要起草的五个标准之间一直缺乏协调性。众所周知,助焊剂是配合焊料使用的,焊锡膏是又焊锡粉与助焊剂混合而成,而焊锡粉又是无铅焊料合金的一种形态,其中丝状焊料即焊锡丝中又包含有树脂芯助焊剂,而所列的这些材料都需要测试,除了产品标准以外还需要有测试标准,所以这些标准之间关系非常密切,免不了互相之间有相互引用的问题。但是综合原来的标准草案来看,光是助焊剂都有三种不同的标识方式,合金的化学成分就有两套体系,标准之间明显缺乏有机的联系,这样的标准如果出台必然造成业界的困扰和使用不便。因此,作者本人受邀主持了这批标准的协调工作。经过大家的共同努力和协商,目前的标准基本定型并经过专家审定会的审定,已经在向业界公示。下面简述一下各标准的主要内容:

《无铅焊料――化学成分与形态》是无铅化的最基础的材料标准,其中包括了23种合金焊料,涵盖了最常见的锡银、锡铜、锡银铜、锡锌、锡铋、锡锑等系列的熔点由低温到高温的常用合金,但需要业界注意的是其中的某些三元以上的合金有专利授权问题。《无铅焊接用助焊剂》则是另外一个重要的基础标准,规定了配套无铅焊料使用的助焊剂材料的标识、分类、规格、测试方法、性能与可靠性指标等,其中特别因应无铅工艺的特点研究改进了助焊性能的评价和测试方法;《电子焊接用锡合金粉》标准则是专门因应无铅SMT焊锡膏要求而规定了焊锡粉的技术要求与测试方法,但该标准还包括了有铅合金的焊锡粉。严格来讲,焊锡粉只不过是焊料中的一个不同形态的粉末焊料而已,在国外的标准中都是将其并入焊料的基础标准中,不单独制定;由于电子制造的发展方向是表面贴装技术(SMT),配套该技术使用的焊锡膏则成为该技术实施的关键的材料,他是焊料粉与助焊剂的混合膏体状物质,因此,《焊锡膏通用技术要求》标准因应而生,该标准针对无铅化的特点在原标准的基础上进行了修订,内容包括有铅和无铅部分,主要规定了焊锡膏的标识、规格与技术要求、测试方法等。最后是《无铅焊料试验方法》标准,该标准规定了八个测试方法,包括无铅焊料的熔点测试、扩展率测试、润湿性测试、机械性能测试、焊点拉伸与剪切强度测试、QFP焊点45度角拉伸强度测试、片式元件焊点剪切测试、无铅抗氧化特性评价等。值得提醒的是,其中的三个方法其实不是无铅焊料的测试方法,而是无铅焊点的测试方法,它不仅是焊料还涉及元器件与基板和工艺。该测试方法标准与日本的JIS Z3198-2003有一定程度的类似,可以提供给工业界一个统一的无铅焊料和焊点的质量的测试方法。总之,这些标准将为无铅化或绿色电子制造在我国的快速健康地发展起着重要地作用。

5 国内外已有的无铅标准简介

虽然国内的电子行业的无铅标准迟迟不能出台,不过令人欣慰的是国际上出台了不少相应的标准,可供电子制造业界选择使用,出台这五个标准反而不那么紧迫了。本节将简要的介绍这些已经出台的国际或其它国家和组织出版的有关无铅工艺的标准。

标准化的程度往往是该项技术成熟与否的标志。自从上个世纪九十年代末无铅实用化以来,由于受到早先欧盟RoHS的推动到如今的中国RoHS的实施,无铅工艺已经逐步走向成熟。许多消费类的产品均实现了无铅化,大多数大型的企业都已经完成了无铅化或完成了准备工作,只是由于产品销售的区域尚未有立即禁止铅使用的要求以及基于成本的考虑暂时没有导入无铅工艺,而许多中小企业由于技术贮备不足或由于成本的考量至今尚未有实质性的准备。由于国际品牌的大公司的推动,其代工的OEM厂商应该说无铅化最积极,在无铅工艺技术水平方面处于领先的位置。而标准的出台往往落后与产品或技术的发展,至今尚有部分支撑无铅化的标准没有出台。国内的支撑中国RoHS实施的无铅化标准起步虽早,但由于种种原因,至今尚未完成编制的程序。国际上有些非常活跃的标准化组织在这些方面做了很多工作,特别是国际电工委员会(IEC)、日本工业标准协会(JIS)以及美国电子电路封装与互联协会(IPC)已经出台了一些无铅的标准,为了更好地推动或支持中国RoHS的顺利实施,本节将简要的介绍一些已经出台的无铅化标准。

首先是无铅焊料的标准。这方面最有代表性的就是IPC于2006年1月修订出版的美国联合工业标准J-STD-006B(Requirements for Electronic Grade Solder Alloy and Fluxed and Non-Fluxed Solid Solders for Electronic Soldering Applications)和ISO9453:2006与JIS Z3282-2006。其中标准J-STD-006B覆盖了几乎所有目前用于电子焊接工艺的各种形态的焊料,包括锡银、锡铋、锡铜以及锡银铜等27种无铅合金(见标准中的附表A-1)、传统的锡铅合金(见标准中的附表A-2)以及其它的非锡铅的特殊合金焊料(见标准中的附表A-3)。该标准还规定了合金成分所允许的偏差以及允许杂质含量的标准,同时标准还给出了各合金的液相线以及与ISO9453(Soft Solder Alloys-Chemical Compositions and Forms)的合金标识比较,以便用户在选择使用不同合金焊料时提供参考。而ISO9453于2006年又更新了它的版本,新版本中增加了无铅焊料部分,更新后的ISO9453除了包括9个系列的31种含铅的传统焊料以外,还增加了11个合金系列的21种合金组成的无铅焊料。ISO9453新版标准中列举的无铅焊料合金具体有:Sn-Sb系一种、Sn-Bi系一种、Sn-Cu系列2种、SnAgCu系3种、Sn-In系一种、Sn-In-Ag-Bi系列2种、Sn-Ag系4种、Sn-Ag-Cu-Bi系1种Sn-Zn系一种以及Sn-Zn-Bi系一种。而日本工业标准协会的标准JIS Z3282-2006(Soft Solder -Chemical Compositions and Forms)包括线状、条状、块状以及粉末状等各种形态合金形式,其中粉末合金的规格和要求按照标准JIS Z3284执行,按照合金的化学组成分类,该日本的标准(JIS Z3282-2006)则包括了3个合金系列共19种合金组成的含铅合金,以及11个系列共21个化学组成的无铅焊料合金,无铅焊料在列表时还按照焊料的熔点划分为高温、中高温、中温、中低温与低温等五大系列。此外,无铅合金中包含了三个化学组成比例的锡银铜专利合金,标准还特别提示了专利无铅合金及其专利的拥有者。方便了业界在选择无铅合金焊料的时候考虑相应的适当措施,以避免违反法规或侵权。

另外在2002年版的IEC61190-1-3(Requirements for Electronic Grade Solder Alloy and Fluxed and Non-Fluxed Solid Solders for Electronic Soldering Applications)都已经提及锡银铜锑的无铅合金,但没有展开到包括其它的无铅焊料,但是2007年出版的版本参考J-STD-006B的内容进行了修改。此外,我们国家的国标委2007年1月发布了由中国机械工业联合会提出的《无铅钎料》(即GB/T 20422-2006)标准,该标准包括了一些非专利限制的常用的无铅焊料,但是没有包括国际上最常用的SAC305或SAC387系列合金,遗憾的是该标准将合金与杂质成分混合并列在一个表中而没有任何明显的区分,用户使用有些不方便。众所周知,无铅焊料主要适用于电子互联软钎焊接,这样的标准由主要为硬钎焊领域的中国机械联合会提出造成了不少困扰,为此电子业界出现了不少质疑该国家标准适用性的声音。另外,国外技术机构通常的做法是不单独列制新的无铅焊料标准,而是在原有的焊料标准的基础上增加无铅焊料的内容来改版升级标准。这可能是由于国情不同吧,作者还是认为国外的做法更为可取,更有利于标准化的管理与标准的使用。

由于助焊剂是配合焊料来使用的,随着焊料的无铅化,焊接工艺条件也发生了很大的变化,评价助焊剂的性能必须用到无铅焊料与无铅的工艺条件,显然新的助焊剂标准必须及时制定。但目前大部分这些标准都在基本完成,IPC也已经将J-STD-004A(Requirements for Soldering Fluxes)改版升级到包括无铅部分的J-STD-004B的工作,标准中增加了与无铅有关的内容,有我们实验室参与翻译的中文版也马上就要出台了。

其次是关于无铅元器件的标准。对于无铅工艺而言元器件的相应的转变主要体现在两个方面,即元器件的可焊性端子或引脚的可焊性涂层的无铅化以及本体耐高温性能方面。所有关于无铅元器件的标准基本围绕这两个方面的。对于元器件的引脚或端子而言,主要考虑其无铅化后的可焊性、耐金属化熔解性与耐焊接热等,这方面已经有美国联合工业标准IPC/EIA J-STD-002C(Solderability Tests for Component Leads, Termination, Lugs, Terminals and Wires),该标准刚刚于2007年12月由B版改版而来,其中包括了无铅化部分,无铅元器件评估测试所使用的无铅合金为SAC305(Sn96.5Ag3.0Cu0.5),温度条件为250℃,而耐金属化熔解试验的温度条件无铅/有铅的均为260℃。另外针对无铅塑封器件,其潮湿回流敏感度的标准IPC/JEDEC J-STD-020C(Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices) 在2004年都已经增加了无铅的分类和测试条件。与有铅的条件相比,无铅元器件在回流曲线上,预热温度与峰值温度均匀显着的增加(预热增加近50℃,峰值温度增加20℃),回流的时间增加近两分钟。另外,由于元器件引线脚的可焊性涂层转变为纯锡后,其生长锡须的风险大大增加,因此JEDEC(美国联合电气工程师协会)又针对此问题于2005年组织起草了一个锡须生长风险的评价标准:JESD22A121 (Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes);除此之外,JEDEC与IPC又分别分布了一个关于无铅元器件标识的标准,分别是IPC1066和JESD97,其内容基本一致,只是前者包括了线路板和组件部分,后者只强调元器件的本身,这两个标准主要是通过代号标识出无铅可焊性涂层的合金和最高安全温度,以便于使用时考虑工艺的兼容性问题。一方面避免产生材料的兼容性问题,另外一方面便于物料以及供应链的管理。

再就是PCB的无铅化标准问题。对于无铅PCB最关键的其焊盘的润湿性问题以及基材的高温稳定性问题。现在已经有IPC标准J-STD-003B,该标准刚刚与2007年3月份完成改版更新,现在的B版已经包括了无铅工艺的部分,无铅可焊性的评估试验也像元器件一样选用了SAC305的合金来进行。由于PCB是一个比较复杂的产品,涉及影响的因素很多,其产品的通用规范无论是柔性板或是刚性板都刚刚完成包括无铅化内容的修订。

最后就是无铅线路板组件(PCBA)以及焊点的质量与可靠性标准。包括无铅组件要求的标准J-STD-001D(Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies)于2005年已经发布,现在又在讨论新的版本了。由于无铅焊点在外观上与有铅的已经有明显的不同,必须修改其中的评判标准,现在已经有直接可以使用于评估无铅焊点外观可接收性的标准IPC-610D(Acceptability of Electronic Assemblies),该标准已经被业界广泛采用。需要补充的是,日本工业标准协会于2003年就一次性发布了7个专门针对无铅焊料与其焊点质量的测试标准(JIS Z3198-2003系列),这七个标准分别为:1)无铅焊料的测试方法第1部分:熔点温度范围的测定方法;2)无铅焊料的测试方法第2部分:机械特性-拉伸强度的测试方法;3)无铅焊料的测试方法第3部分:扩展试验方法;4)无铅焊料的测试方法第4部分:可焊性测试方法――润湿天平法与接触角法;5)无铅焊料的测试方法第5部分:焊点的拉伸强度与剪切强度测试方法;6)无铅焊料的测试方法第6部分:QFP焊点的45度角拉伸测试方法;7)无铅焊料的测试方法第7部分:片式元件焊点的剪切强度测试方法。这些标准无疑为无铅化的产品的质量保证发挥了至关重要的作用,对于推动电子制造无铅化的进展意义重大。所以,在这批即将出台的五个配套的无铅行业标准中也包括了这部分内容。

6 无铅工艺及其标准化展望

对比无铅标准体系表以及现在已经出台的有关的无铅标准,我们可以了解到体系中的许多标准还没有制定出来,即使已经制定出台的标准也大多都是国外的,并且随着无铅工艺技术与无铅材料技术的快速发展和无铅化的不断深入,许多标准参数都需要改进。无铅的产品在长期使用时的可靠性问题一时半会还无法解决的情况下,许多研究工作仍然需要不断的深入,无铅工艺技术的发展必然导致标准化也需要不断的进步,以跟上技术发展的步伐。

现在支撑中国RoHS实施的五个行业标准(助焊剂、焊锡粉、焊锡膏、无铅焊料与测试方法)已经基本完成了起草的工作,还需要一点点时间来完成必要的发布程序。从标准的文本来看,经过协调,几个标准相互之间的协调性已经大为加强,内容也已经相当的完善,相信我们将会很快拥有自己的配套标准,只要采取虚心而开放的态度,多学习国外制定标准的先进经验,欢迎有关的各类型单位的专家参与,我们自己的行业标准就会越来越完善。

无铅工艺的下一步的发展关键取决于无铅焊料的发展,由于现在主流的无铅焊料中包含有较高比例的贵金属银,而且相应的资源也越来越匮乏,导致无铅焊料的成本越来越高。要想无铅化能够得到健康而顺利的发展,必须解决无铅焊料的成本问题,并且同时还需兼顾到产品的可靠性。因此,低银或不含有银的低成本无铅焊料的研发是关键。另外无铅焊点的可靠性评价技术还有许多问题没有解决,导致高可靠性要求的产品一时无法推广无铅化,因此可靠性问题又将是一个研究的焦点和热点。这样一来,使用SAC305作为标准合金的测试标准、合格判据都将要重新修订,无铅焊料标准中将包括一些新型合金体系。无铅焊点可靠性评价方法的标准化则是下一阶段工作一个重点,只有等到无铅焊点的寿命可以依赖标准的方法进行评估,无铅化的技术才算基本成熟。

另外还需开展无铅焊接通用工艺条件的研究,制定出相应的标准,指导业界在实施无铅化工艺时可以低成本而高效率。无铅焊接设备的标准一直以来均缺乏,虽然设备比较复杂,人们熟练掌握并很好的使用是有许多困难,但是工艺上有许多要素是相通的,为了进一步降低成本或更方便采购选型,设备的标准化必须尽快提上议事议程,在国家大力号召发展装备制造业的时候,不妨先开展其设备标准化的研究,这应该是无铅标准化将来的一个着力的突破口。作为工业和信息化部的技术支撑单位和业界的技术服务平台,工业和信息化部电子第五研究所除了为无铅化提供测试、分析与咨询等技术解决方案外,还将一如既往的支持我国的无铅标准化的工作,为我国的绿色电子制造快速健康地发展做出自己应有的贡献。

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