无铅化工艺进程

加速无铅转换的进程

作者:Mike Maekawa和Phil de Guzman, Toshiba America Electronic Components Inc.

半导体和电子制造商目前都必须面对一个环境保护问题，即如何符合欧共体颁布的两个管理规定，《电子电气设备废弃物(WEEE)》和《有害物质的限制法案(RoHS)》。

电子工业正面临环境保护的挑战，不仅电子产品需要是环保的，电子制造的过程也必须满足环境友好的要求。欧共体颁布的二个用于环境保护的管理规定，即《电子电气设备废弃物(WEEE)》和《有害物质的限制法案(RoHS)》，要求铅和其它有害物质在电子产品及其生产过程中的使用，必须在2006年7月1号之前得到管理。半导体和电子制造商都必须对此采取相应措施。

几乎所有电子电气产品都是将半导体器件焊在印制板上。这些产品达到使用寿命报废后，通常被进行填埋处理。锡铅焊料由于其使用方便、价格经济、电气和机械性能良好的特性，多年来一直被广泛用于电气连接。然而，近年来由于环境污染，酸雨开始与填埋的铅废料发生化学反应，酸雨将铅转化成很易溶于水的离子化合物，污染水源。无铅焊料和焊接工艺的研发因此成为重要的环境问题。

虽然美国迄今还没有类似的立法规定，但欧州要求在半导体和电子设备中减少铅的使用，并规定在2006年7月1日完全实行无铅装配。这将会对全球市场产生广泛影响。在过渡期间，全球的供应商必须选择，是否完全从有铅转换至无铅生产，还是使用有铅和无铅参混的生产模式。后者必须在生产、材料和产品等方面进行细仔的跟踪。为了减少混合生产模式中供应商和客户长期面临的供应链风险，同时也为尽快转换到生产环保产品，Toshiba建议工业界缩短此过渡期，在2004年完成从有铅到无铅组装的转换。

为缩短向无铅转换的时间，OEM、合同制造商(CM)和半导体供应商需要紧密合作。业界对各个环节的支持以及承担的义务，是有效实现无铅、开发更宽泛的工艺窗口和生产制程的关键。为帮助业界理解眼前面临的问题，以下综述了与无铅化转换有关的商业和技术问题。

商业问题

面对无铅转换，制造商必须首先作出的一个重要的决策是，应该完全采用无铅的封装器件和焊料，还是应该保持双模式的生产？需要考虑的因素包括：来料供应(涉及到晶园的制造过程) ；客户服务问题；制造设施、成本和库存管理；原料供应的连续性；元件编号和物料清单(BOM)管理；工业界的合作等。

客户服务问题

针对无铅的需求，制造商首先需要弄清客户所优先考虑的问题，向客户提供及时而有价值的信息，调查客户需要，与客户交换无铅转换进程，等等。这些对无铅的平稳过渡是必不可少的。公开无铅转换计划，可以更好为完成转换做好准备。

由于欧盟法律还有将近三年的时间生效，在美国目前还无类似规定，一些客户没有考虑采取无铅生产。此外，一些特殊工业部门，其中包括网络硬件产品公司，现在可不受RoHS规则的限制（或享有延长的限期）。满足这类无须进行无铅转换的客户的需求，需要继续提供原先的有铅元器件，或对新的无铅元器件予以再次鉴定，确保它们能否适应有铅工艺。

另一方面，产品销往欧州和亚州的制造商，正在慎重地寻找无铅的替代制程。许多日本公司已经制定了它们的进程表，已经或计划在2003或2004转换至无铅制造。此外，许多电子制造服务厂商(EMS)，也己经建立了合格的无铅产品生产线。

Toshiba一直在努力进行无铅制造转换的规划。我们的目标是顺利、有效地转至无铅产品生产。这是一项挑战性的任务，因为仅在北美，我们就向几千客户出售上千种产品，而这些产品都会受到无铅过渡的影响。此外，由于我们的每位客户都有各自不同的无铅转换进程安排，这使得过渡过程更为复杂。

工厂和客户的库存管理

转换至无铅制造需要使用新的物料，并对新物料的供应链重新进行检验和鉴定。双模式物料清单(BOM)需要额外的库存管理，并进行细心的安排和预测，防止双模式生产中物料互混；对现有的有铅产品的厍存以及线上的产品，更须在无铅转换期的前后加以严格管理，以确保有铅和无铅产品互不相混；无铅产品须要采用新编号，比如使用清晰的无铅产品标志。无法在器件上作标志的小尺寸器件，其包装上必须在制造厂的标签上加以标记，并且在再次分包装时，需要特别注意防止参混。有的OEM顾客就要求对无铅的产品进行专门的标记。

生产计划人员和采购人员必须得到充足的相关信息，并得到培训以了解产品的不同特点；对SMT操作员和技术员也要进行培训。一旦无铅产品与有铅产品同时进行制造，就必须对生产进行严格管理，防止参混。许多供应商和客户要求使用两种不同的部件编号和两种不同的物料清单。

工业界的协调与合作

迄今，关于无铅焊料己有许多独立的研究报告，然而，还没有一个得到工业界普遍接受采用的无铅焊料合金。为此，需要各方面协同合作，加以研究解决，一个很好的例子是，IPC和JEDEC对不同研究和开发活动进行的参与和支特。

供应的连续性

在有铅和无铅生产过程中，需要建立双模式BOM并加以管理。整个供应链的管理要在双模式BOM的范围下进行评估；双模式BOM以及转换进程的变化，都会使维护和跟踪BOM的成本显著增加；缺乏现行的工业标准和时间进度表，也会对双模式供应产生很大影响；电子元器件供应商的无铅转换日程各不相同，使供应的连续性变得更为复杂；另外，如同多数新技术那样，突发事件常有发生，这会导致无铅技术转换过程中，生产

和出货计划的延迟；此外，世界上不同地区对无铅产品需求的不同，运输方面会在一定程度上受到影响；在法律方面，那些独自开发的焊料合金涉及到专利权，这就涉及到专利权费用和专利许可问题，需要加以关注。

技术问题

虽然离欧盟建议的管理规定的实施还有近三年的限期，电子元器件制造商、消费类电子产品公司、学院和其他组织都已经对无铅制造做了细致深入研究。然而仍有大量有待予以解决的技术问题，会影响供应商和客户。首先，无铅的标准还没有制定；其次，质量和可靠性测试还待标准化；另外，在某些情况下，元件很难做到应有的“前向兼容性” 和“后向兼容性”（backward and forward compatible）。在客户方面，因为新合金的鉴定需要较长时间，生产可能会被延迟；对现有设备的改造与性能提升，也会延迟生产。为更有效地转换至无铅制造，半导体制造商、OEM客户、EMS 合同制造商、以及供应商，需要在各个层次上相互合作研究，共同关注上述这些技术问题。

图1 SnAg涂层、涂钯引线(Pd PPF)与传统的SnPb涂层的湿润性是相当的。

设计问题

顺利转换至无铅制造需要一定时间，工业界最好现在就开始设计无铅产品。新产品的测试、鉴定、以及诸多供应链问题，牵涉到业界的很多部门，设计完成之后这些问题需要占用很多的时间。

无铅的定义

迄今为止，无铅封装的定义还未被正式确定。对于引线涂层和BGA焊球，欧盟规定的无铅阈值为Pb＜1000ppm；JEIDA也定为Pb＜1000ppm。JEDEC最初建议使用pb＜2000ppm，但最近JEDEC决定将不为无铅设定一个ppm值。由于合同制造商和EMS分处全球各地，无铅定义的不确定，使得SMT物料和工艺的选择及其鉴定工作更为复杂。欧盟管理规则的正式推出，使全球使用一个无铅定义标准成为可能。

质量和可靠性标准

现有的IPC工艺标准适用于有铅产品。现在的SnPb合金己使用几十年，IPC标准为产品定义了最低的验收标准，客户和供应商使用此标准来作接收和拒收的决定。采用无铅合金时，为避免错误地解释产品的接收标准，需要建立一个新的标准。回流焊后各种无铅焊点的目视外观问题，就