无铅制造的供应链管理(4)
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第6页
产品无铅化策略
完全有铅
A
。有铅焊料
。有铅元件
后向兼容 。有铅焊料 。无铅元件
C B
前向兼容 。无铅焊料 。有铅元件
完全无铅 。无铅焊料 。无铅元件
A策略
先元件无铅，再锡膏无铅。 业界大部分产品采用此策略。我司 绝大部分产品业属于此种状态。
B策略
先锡膏无铅，再元件无铅。 部分消费类产品在转化过程中会遇 到此种情况。
样品
温度循环失效周数
焊点强度
SnAgCu焊料 0.5％铅污染 1.0％铅污染
13400 6320 3252
100％ 47％ 24％
如何防止铅污染： z有铅和无铅生产线要在物理上实现隔离和明显区分： 包括正向的组装、维修和逆向的返修； z防止器件混料：设立新编码体系； z防止PCBA的混料：做好标识，生产线的隔离，独立
C策略
一次到位。由于条件限制，很少公 司采取。
第7页
过渡期A存在的问题和风险：
z 无铅面阵列器件的焊球回流不充分；
无铅焊球未熔化形成的焊点
第8页
过渡期A存在的问题和风险：
SnPb锡膏和和SAC锡球没有完全融合，导致早期失效发生；
第9页
过渡期A存在的问题和风险：
z 部分面阵列器件(BGA/CSP/FC）已经无铅化，但采用有 铅工艺进行组装。由于在有铅回流焊接工艺中，面阵列器 件的焊球（熔点一般在217℃以上）不一定会熔化或充分 熔化，所形成焊点的合金成分不均匀，相对而言，较焊料 合金成分均匀的焊点的可靠性差；
z 有铅器件在无铅组装工艺中将出现较多的焊点空洞风险，尤其是 BGA类器件（因为SnPb焊球先于无铅焊料融化，从焊料中挥发物 进入到已经成熔融的焊球中，形成较多的空洞）。
解决方法：尽快实现器件无铅化
第11页
过渡期B存在的问题和风险：
以SnAgCu焊接 元件，电板 镀层是Cu-OSP
铜焊盘没有被 焊锡完全浸润 （无铅典型）
家咨询；
第2页
无铅化带来的挑战
Pb
有铅产品向无铅化转变的挑战
成本增加
材料、组装设备 等的变化，导致 综合制造成本有 增加
工艺窗口变 窄
由于焊料变化和 焊接温度的提 升，焊接工艺窗 口 变窄，工艺调 制难度增加
物料耐高温 要求提高
焊接温度提高 20～30度， PCB和器件的 耐高温要求提 高
质量挑战
•• 过过 •• •• 区区 •• 温温 •• 锡锡
钢钢 线线调调
贴贴 盘盘
第19页
缺陷控制：连锡短路
•
•
•
盘
•
•
•
•
•
•
脚盘
锡
第20页
缺陷控制：上锡不足
•
•
•
脚 锡测试
•
• •
•Baidu Nhomakorabea
•
脚
锡
第21页
缺陷控制：假焊、焊锡未接上
••
脚脚
•• ••
第22页
参考：HP公司的无铅工作规划
¾ 根据NEMI的推荐，在reflow solder采用 (Sn-Ag-Cu)合金的焊料， Wave soldering 可以采用 Sn-Cu, Sn-Ag, 或者Sn-Ag-Cu 合金焊料；
SMT的质量 水平 相当，但无铅波 峰焊接的缺陷率 水平高于有铅条 件。
第3页
无铅制程导入的成本增加问题
无铅工艺成本影响模型
辅料影响
有铅焊料（Sn37Pb)
无铅焊料(SnAgCu)
锡膏
1
30～50％增加
锡条
1
100％增加
锡丝
1
60～70％增加
直接材料成本
有铅工艺
无铅工艺
PCB表面处理
无变化
环保板材（无卤素）
两焊点都呈现 粗糙表面
第12页
过渡期B存在的问题和风险：
- BGA元件的X光照片显示，焊点包含了大量的孔洞。
第13页
过渡期B存在的问题和风险：
大孔洞容易导致 焊点过早失效
第14页
Voids的机理：
锡球的熔点比焊锡膏低
- 熔化的SnPb锡球罩在助焊剂 开始排气的锡膏上 - 气体无处可去，只能进入熔 化的SnPb锡球 - 锡银铜焊膏融化并与锡铅混 合 焊锡膏仍然排气并向上走 - 焊点冷却时更多的助焊剂挥 发被束缚，形成空洞
¾ 回流的Peak temperature 的上限定为 260oC maximum 90 seconds. ¾ 2003年6月以前完成Lead-free qualification，可以提供无铅的产品和服
务。 ¾ 2004年6月完成Lead-free components 的认证和批量运用。 ¾ 调查在电子组装中取代铅的方法。 ¾ 提供工业界最佳的无铅的供应链方案。 ¾ 根据可靠性验证的结果，法规现状、市场需求、供应商的情况、成
本、基础研究的情况来寻找环境适应性更好的取代铅的材料。
HP无铅化方针： 服从于保护环境的要求，各要素间寻找平衡。
第23页
谢谢！
第24页
z 由于无铅化的面阵列器件信息无法及时传递到工艺设计和 生产部门，将造成一些潜在的制造风险；
¾ 解决措施：器件认证时和设计时要及时传递相关信息；板 子上生产线后，将此类器件的焊点温度调高至225～230 度，但要综合考虑板上其他器件的耐温性。
第10页
过渡期B存在的问题和风险
z 部分还没有无铅化的器件不能适应无铅工艺高温要求，在组装过 程中将对器件封装体造成热损伤。此类高风险的器件主要是： z 塑料外壳类器件：如SMT型的连接器、继电器； z 发光二极管； z 多层陶瓷封装器件，如陶瓷电容； z 采用通孔回流焊接的器件要特别注意其封装体是否能承受无铅高 温焊接。
第15页
无铅SMT制程控制－缺陷控制
第16页
缺陷控制：立碑
••
••
盘盘 锡锡
••
轻轻
第17页
缺陷控制：立碑
¾¾
盘盘
¾¾
¾¾
¾¾
¾¾
¾¾
¾¾
¾¾
••
盘盘
••
••
••
••
••
第18页
缺陷控制：锡珠
•• 钢钢
•• 锡锡 设设计计过过
•• 预预热热温温
导导
••
温温 锡锡
••
锡锡
•• 贴贴
时时锡锡 飞飞溅溅
无铅制造的供应链管理
有铅向无铅转化需要关注的工作
环节
工作难度
工作计划
方法
设计阶 器件选
段
型
PCB板 材选择
PCB表 面处理
较大 小
检查器件供应商的无铅化进程， 培训，组织，供应商访谈，供应商大
采购技术体系更新，流程重建；
会，第三方认证，咨询；
器件无铅化测试手段建立；
目前板材可暂不切换
跟踪
不确定
提前准备有3～5种解决方案，包 考虑各种表面处理的优缺点，结合产 括OSP、ImmAg、ENIG等成熟 品需求和供应商的供应能力情况； 方案；
20～100％增加
SMT 连接器（耐高温）
5～15％增加
BGA器件（耐高温）
0～10％增加
组装过程中能源消耗
25～50％
无铅产品制造成本相对增加 5～15％
注：其它成本增加方面有设备改造，物流系统整理（新编码申请，制造系统区分
等），波峰焊接的制造缺陷增加等
第4页
防止无铅制程导入过程中的铅污染
铅污染（合金体系）带来的危害：有试验表明，当无铅焊料中的铅含量 达到0.5％时，焊点强度会下降一半！
的维修区域。
第5页
无铅过渡期问题
z 无铅工艺过渡期的定义：PCBA组装过程中焊料和器件部分已 经无铅化，但未完全无铅化的过程都定义未无铅过渡期。
z 过渡期又可以分为两类： z 过渡期A：器件和PCB已经部分无铅化，但采用有铅的焊料 和有铅组装工艺。 z 过渡期B：PCB和焊料已经完全无铅化，采用无铅工艺组装 PCBA，但器件未完全适应无铅化；
PCB布
中
局设计
设计规则需要试验确定
辅料试验工艺窗口试验，组装可靠性 验证；
制造阶 材料体
大
辅料认证，设备引进、改造，能 辅料工艺特性的试验，工艺能力测
段 系和设
力测试，工艺窗口定义
试，设备技术认证，可靠性试验和测
备条件
试
制程控
中
培训，生产线规划、文件体系建 知识体系整理，培训，流程建立，专
制
立，物料管理
产品无铅化策略
完全有铅
A
。有铅焊料
。有铅元件
后向兼容 。有铅焊料 。无铅元件
C B
前向兼容 。无铅焊料 。有铅元件
完全无铅 。无铅焊料 。无铅元件
A策略
先元件无铅，再锡膏无铅。 业界大部分产品采用此策略。我司 绝大部分产品业属于此种状态。
B策略
先锡膏无铅，再元件无铅。 部分消费类产品在转化过程中会遇 到此种情况。
样品
温度循环失效周数
焊点强度
SnAgCu焊料 0.5％铅污染 1.0％铅污染
13400 6320 3252
100％ 47％ 24％
如何防止铅污染： z有铅和无铅生产线要在物理上实现隔离和明显区分： 包括正向的组装、维修和逆向的返修； z防止器件混料：设立新编码体系； z防止PCBA的混料：做好标识，生产线的隔离，独立
C策略
一次到位。由于条件限制，很少公 司采取。
第7页
过渡期A存在的问题和风险：
z 无铅面阵列器件的焊球回流不充分；
无铅焊球未熔化形成的焊点
第8页
过渡期A存在的问题和风险：
SnPb锡膏和和SAC锡球没有完全融合，导致早期失效发生；
第9页
过渡期A存在的问题和风险：
z 部分面阵列器件(BGA/CSP/FC）已经无铅化，但采用有 铅工艺进行组装。由于在有铅回流焊接工艺中，面阵列器 件的焊球（熔点一般在217℃以上）不一定会熔化或充分 熔化，所形成焊点的合金成分不均匀，相对而言，较焊料 合金成分均匀的焊点的可靠性差；
z 有铅器件在无铅组装工艺中将出现较多的焊点空洞风险，尤其是 BGA类器件（因为SnPb焊球先于无铅焊料融化，从焊料中挥发物 进入到已经成熔融的焊球中，形成较多的空洞）。
解决方法：尽快实现器件无铅化
第11页
过渡期B存在的问题和风险：
以SnAgCu焊接 元件，电板 镀层是Cu-OSP
铜焊盘没有被 焊锡完全浸润 （无铅典型）
家咨询；
第2页
无铅化带来的挑战
Pb
有铅产品向无铅化转变的挑战
成本增加
材料、组装设备 等的变化，导致 综合制造成本有 增加
工艺窗口变 窄
由于焊料变化和 焊接温度的提 升，焊接工艺窗 口 变窄，工艺调 制难度增加
物料耐高温 要求提高
焊接温度提高 20～30度， PCB和器件的 耐高温要求提 高
质量挑战
•• 过过 •• •• 区区 •• 温温 •• 锡锡
钢钢 线线调调
贴贴 盘盘
第19页
缺陷控制：连锡短路
•
•
•
盘
•
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脚盘
锡
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缺陷控制：上锡不足
•
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脚 锡测试
•
• •
•Baidu Nhomakorabea
•
脚
锡
第21页
缺陷控制：假焊、焊锡未接上
••
脚脚
•• ••
第22页
参考：HP公司的无铅工作规划
¾ 根据NEMI的推荐，在reflow solder采用 (Sn-Ag-Cu)合金的焊料， Wave soldering 可以采用 Sn-Cu, Sn-Ag, 或者Sn-Ag-Cu 合金焊料；
SMT的质量 水平 相当，但无铅波 峰焊接的缺陷率 水平高于有铅条 件。
第3页
无铅制程导入的成本增加问题
无铅工艺成本影响模型
辅料影响
有铅焊料（Sn37Pb)
无铅焊料(SnAgCu)
锡膏
1
30～50％增加
锡条
1
100％增加
锡丝
1
60～70％增加
直接材料成本
有铅工艺
无铅工艺
PCB表面处理
无变化
环保板材（无卤素）
两焊点都呈现 粗糙表面
第12页
过渡期B存在的问题和风险：
- BGA元件的X光照片显示，焊点包含了大量的孔洞。
第13页
过渡期B存在的问题和风险：
大孔洞容易导致 焊点过早失效
第14页
Voids的机理：
锡球的熔点比焊锡膏低
- 熔化的SnPb锡球罩在助焊剂 开始排气的锡膏上 - 气体无处可去，只能进入熔 化的SnPb锡球 - 锡银铜焊膏融化并与锡铅混 合 焊锡膏仍然排气并向上走 - 焊点冷却时更多的助焊剂挥 发被束缚，形成空洞
¾ 回流的Peak temperature 的上限定为 260oC maximum 90 seconds. ¾ 2003年6月以前完成Lead-free qualification，可以提供无铅的产品和服
务。 ¾ 2004年6月完成Lead-free components 的认证和批量运用。 ¾ 调查在电子组装中取代铅的方法。 ¾ 提供工业界最佳的无铅的供应链方案。 ¾ 根据可靠性验证的结果，法规现状、市场需求、供应商的情况、成
本、基础研究的情况来寻找环境适应性更好的取代铅的材料。
HP无铅化方针： 服从于保护环境的要求，各要素间寻找平衡。
第23页
谢谢！
第24页
z 由于无铅化的面阵列器件信息无法及时传递到工艺设计和 生产部门，将造成一些潜在的制造风险；
¾ 解决措施：器件认证时和设计时要及时传递相关信息；板 子上生产线后，将此类器件的焊点温度调高至225～230 度，但要综合考虑板上其他器件的耐温性。
第10页
过渡期B存在的问题和风险
z 部分还没有无铅化的器件不能适应无铅工艺高温要求，在组装过 程中将对器件封装体造成热损伤。此类高风险的器件主要是： z 塑料外壳类器件：如SMT型的连接器、继电器； z 发光二极管； z 多层陶瓷封装器件，如陶瓷电容； z 采用通孔回流焊接的器件要特别注意其封装体是否能承受无铅高 温焊接。
第15页
无铅SMT制程控制－缺陷控制
第16页
缺陷控制：立碑
••
••
盘盘 锡锡
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轻轻
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缺陷控制：立碑
¾¾
盘盘
¾¾
¾¾
¾¾
¾¾
¾¾
¾¾
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盘盘
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缺陷控制：锡珠
•• 钢钢
•• 锡锡 设设计计过过
•• 预预热热温温
导导
••
温温 锡锡
••
锡锡
•• 贴贴
时时锡锡 飞飞溅溅
无铅制造的供应链管理
有铅向无铅转化需要关注的工作
环节
工作难度
工作计划
方法
设计阶 器件选
段
型
PCB板 材选择
PCB表 面处理
较大 小
检查器件供应商的无铅化进程， 培训，组织，供应商访谈，供应商大
采购技术体系更新，流程重建；
会，第三方认证，咨询；
器件无铅化测试手段建立；
目前板材可暂不切换
跟踪
不确定
提前准备有3～5种解决方案，包 考虑各种表面处理的优缺点，结合产 括OSP、ImmAg、ENIG等成熟 品需求和供应商的供应能力情况； 方案；
20～100％增加
SMT 连接器（耐高温）
5～15％增加
BGA器件（耐高温）
0～10％增加
组装过程中能源消耗
25～50％
无铅产品制造成本相对增加 5～15％
注：其它成本增加方面有设备改造，物流系统整理（新编码申请，制造系统区分
等），波峰焊接的制造缺陷增加等
第4页
防止无铅制程导入过程中的铅污染
铅污染（合金体系）带来的危害：有试验表明，当无铅焊料中的铅含量 达到0.5％时，焊点强度会下降一半！
的维修区域。
第5页
无铅过渡期问题
z 无铅工艺过渡期的定义：PCBA组装过程中焊料和器件部分已 经无铅化，但未完全无铅化的过程都定义未无铅过渡期。
z 过渡期又可以分为两类： z 过渡期A：器件和PCB已经部分无铅化，但采用有铅的焊料 和有铅组装工艺。 z 过渡期B：PCB和焊料已经完全无铅化，采用无铅工艺组装 PCBA，但器件未完全适应无铅化；
PCB布
中
局设计
设计规则需要试验确定
辅料试验工艺窗口试验，组装可靠性 验证；
制造阶 材料体
大
辅料认证，设备引进、改造，能 辅料工艺特性的试验，工艺能力测
段 系和设
力测试，工艺窗口定义
试，设备技术认证，可靠性试验和测
备条件
试
制程控
中
培训，生产线规划、文件体系建 知识体系整理，培训，流程建立，专
制
立，物料管理