无铅工艺中的材料兼容性问题 [复制链接]

无铅工艺中的材料兼容性问题
作者:Eric Nien Hsien Wu 汉高技术公司

　　一直以来，电子组装产业寻求最低制造成本的努力从没有停止过。但随着整个行业向无铅工艺转化，工艺工程师们又不得不重新评估新材料，以满足无铅工艺的要求。
　　从20世纪90年代后期开始引入无铅工艺到现在，人们一直致力于研究并推出新的PCB表面抛光材料、无铅焊锡材料、无铅元器件、SMT电子组装粘接剂、助焊剂、焊锡丝、包封材料和底部填充材料...... 对无铅工艺及其适用的电子材料的研究和讨论一直持续到现在。有一部分人认为电子材料和技术已经是相当成熟，但随着时间的推移和无铅工艺的引入，在实际应用中仍不时有问题出现，尤其是不同电子材料的不兼容所引起的问题比较引人注目。
　　我们经常可以看到电子组装工厂在同一条SMT线上使用的电子材料是由多家不同的供应商提供的，以求得到良好的成本和性能。但如果出现材料间不兼容的问题，工厂的工艺工程师就需要做试验，从众多供应商提供的材料中找出最佳的材料组合。有时，这会是非常冗长的“尝试—失败—再尝试”的过程。本文将讨论如何看待和解决材料间不兼容的问题。





　　助焊剂介质间的不兼容问题
　　助焊剂介质是焊锡膏和焊锡丝的主要成分之一， 同时也是用于倒装芯片/CSP芯片贴装，维修，波峰焊等工序上的电子组装材料。同一块电路板在电子组装过程极有可能接触几种不同的助焊剂，助焊剂介质之间的任何不兼容就会导致电路板可靠性的问题。而且这类问题，从市场客户反馈到电子组装工厂，可能已是电子产品出货后六个月了。
　　随着免清洗（NO CLEAN）成为电子组装行业的主流，人们设想经过SMT工艺处理后的PCB板上的残留物不会对电路板产品造成可靠性问题。这种设想只有满足以下条件时才成立：
　　● 免清洗助焊剂在焊接过程中完全反应，尤其是焊锡丝内含有的助焊剂介质
　　● 隐藏在焊锡膏残留中的卤化物，在手工焊接中不会被分解
　　● 在所有焊接材料中的助焊剂介质互相兼容
　　上述各项前提条件都与电子材料的配方有关；通过电迁移测试 (Electro Migration) 的结果，可以有效地说明问题。





　　虽然至今还没有测试助焊剂介质兼容性的行业标准，但根据Telcordia（正式名为Bellcore） GR-78- Core规范改进的测试方法仍然能提供有价值的信息。
　　在测试中，印刷在电路板上的锡膏在回流后，随着焊锡丝的使用，锡丝中的助焊剂介质从锡丝中流出到线路板上，测试中模拟的助焊剂活性会比在实际生产条件中的助焊剂活性差。测试板在典型的Telcordia GR-78-Core 电迁移测试环境中老化，随时间变化的绝缘电阻值的变化如图2所示。
　　梳状测试的结果同样反应了阻值的变化。ROL0焊锡膏和ROM1焊锡丝的使用,有铜绿和枝状晶生长的现象。 测试结果也表明，没有完全反应的ROM1助焊剂可能会引起往往被SMT工程师所忽略的，多年以后才能被发现的可靠性问题。





　　需要说明的是，以上测试结果不应解释为任何ROL0型助焊剂的组合都能避免可能发生的可靠性问题，提供满意的结果。由于不同电子材料供应商提供的ROL0型助焊剂的原材料是不同的，因此向供应商咨询得到正确的信息是非常必要的。


　　助焊剂残留和底部填充材料的不兼容
　　由于业内很少有材料供应商能同时提供助焊剂和底部填充材料两种材料，也就是说，只有部分供应商能对助焊剂和环氧树脂（底部填充材料）提供专业服务。因此助焊剂残留和底部填充剂之间不兼容问题也是相当常见和需要被重视的。





　　图4显示的一个48脚的倒装芯片，间距为0.46毫米，在96小时的PCT（压力蒸煮实验）测试后有分层现象发生。这是因助焊剂和底部填充剂材料不兼容所造成问题的典型案例，通常情况下，这类问题是不能通过工艺方法的优化来解决。
　　案例中的分层现象是由于底部填充材料和助焊剂残留不兼容造成的（图5），在不兼容的情况下，不兼容材料间的接触面上会逐步形成空洞。能解决问题的理想的底部填充材料被设计成在固化前可以“溶解”助焊剂残留, 目前具有这种技术的底部填充材料已经被广泛应用于大规模生产中。





　　结论
　　供应链管理已经成为电子组装工厂能否取得成功的一个关键因素。在仔细控制每一种材料的采购成本时，需考虑和避免因不同材料兼容性问题而产生的大量花费。材料间的不兼容性不仅限于本文所涉及的两种电子材料，在其他电子材料间也存在，例如IC表面的脱模剂能导致贴片胶的附着力不够；PCB表面的残留使得电路板的表面能非常低，从而导致电路板防护涂层难以涂附等。对于电子组装工厂来说，到了该考虑如何充分利用能提供“一站式服务”的电子材料供应商资源的时候了。

好文章，这么深度的考虑，让人大开眼界。