PCB設(shè)計(jì)流程之組裝技術(shù)與環(huán)境保護(hù)
發(fā)布時(shí)間：2020-10-21
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在電子產(chǎn)品中，隨著小型、輕型、薄型和高性能元器件使用量的劇增，組裝技術(shù)的地位正日臻重要，組裝材料與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系也日益密切。
從1995年起，組裝襯底材料專用的清洗劑氟里昂和三氯乙醚會破壞地球的臭氧層，國際上就實(shí)行禁用。另外，在組裝工藝中焊接用的鉛(Pb)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)、樹脂系列布線板等組裝材料都面臨環(huán)境保護(hù)問題。某種意義上說，在組裝材料與環(huán)境保護(hù)具體選擇的實(shí)施過程中，環(huán)保在企業(yè)管理中的措施，會增加企業(yè)負(fù)擔(dān)，因此帶有一定的強(qiáng)制性。以Sn-Pb焊接為基礎(chǔ)形成的細(xì)間距QFP為例，它的一次性回流(re-flow)技術(shù)是組裝工程技術(shù)人員幾經(jīng)努力完成的?，F(xiàn)要將它改換成無Pb焊接時(shí)，對新的焊接材料的組成與評價(jià)、工藝及可靠性等許多工作則需要從頭開始。
與無鉛化焊接相對應(yīng)的對策包括以下二個(gè)方面：
1)替代焊接劑即無鉛焊接的開發(fā);
2)替代焊接劑的新的組裝技術(shù)即無鉛焊接工藝與設(shè)備的開發(fā)。
這一切意味著重新評價(jià)原有的連接技術(shù)，開發(fā)新的連接技術(shù)。
新的組裝材料與技術(shù)的開發(fā)
1.全面廢除使用氟里昂
組裝用的布線板的清洗劑CFC(氟里昂)和三氯乙醚，均會造成對臭氧層的破壞，引起地球變暖。國際社會從1989年起限制使用，在1995年禁止使用?！睹沙掷麪柟sCFC協(xié)議條款》規(guī)定發(fā)展中國家必須在2005年之前全部完成CFC的淘汰工作，屆時(shí)凡使用CFC作清潔溶劑的電子產(chǎn)品，一律禁止使用或出口。美國還對含CFC或用CFC處理過的電子產(chǎn)品進(jìn)口征收特別關(guān)稅。組裝技術(shù)中全面廢除使用氟里昂，從改變清洗方式和免清洗二個(gè)思路展開。
發(fā)達(dá)國家在PCB等相關(guān)行業(yè)實(shí)施的CFC替代方案中，目前的代用試劑為HCFC(協(xié)議規(guī)定的過渡化合物)、HFC(氫氟碳化合物)、PFC(全氟甲硼烷)、IPA(異丙醇)、丙醇和乙酸已脂等。按照國際公約規(guī)定，HCFC可用至2020年，這意味著原用CFC的清洗設(shè)備還可使用相當(dāng)一段時(shí)期。然而，新的研究又表明，PCFC和HFC雖對臭氧層破壞較小，但都有溫室效應(yīng)，尤其PCFC為CO2的1000倍。1997年底在日本召開的防止地球變暖的國際會議上又對它們提出質(zhì)疑，因此目前它們的再替代產(chǎn)品即第三代CFC又在迅速開發(fā)中。
2.無鉛焊接提上日程
電子組裝除清洗劑帶來的污染外，還有鉛、銅、錫等重金屬帶來的污染。眾所周知，Sn-Pb瞬時(shí)易焊性好且質(zhì)量有保證。容易滿足元器件的電、機(jī)械持性和可靠性要求。從射流焊轉(zhuǎn)為回流焊，工藝更為簡便。但由于錫、鉛均為重金屬，迫切需要對這一焊接的重新評價(jià)。在歐美國家，對電子工業(yè)焊接用Pb的限制及用量相關(guān)征稅已經(jīng)啟動(dòng)。日本在1994年就出臺重新分析和評價(jià)河流的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)Pb含量要控制在0.01mg/l以下。日本汽車工業(yè)協(xié)會提出到2000年汽車的排鉛量要降至目前的一半。在這一背景下，世界各國的無鉛焊接和無焊劑連接技術(shù)的開發(fā)十分活躍。
人們希望開發(fā)能采用原有的設(shè)備與工藝的新的無鉛焊接技術(shù)。它的具體要求是：1)材料成本低;2)具有與Sn-Pb共晶相近的融點(diǎn);3)電特性、機(jī)械特性和化學(xué)特性優(yōu)良;4)與現(xiàn)有的工藝與設(shè)備相兼容;5)適用于目前的組裝焊接;6)可適用于精細(xì)圖形。但遺憾的是至今還沒有找到能完全滿足以上要求的無鉛替代品。
目前對以Sn為基礎(chǔ)加Ag(銀)、Cu(銅)、Bi(鉍)、Zn(鋅)等合金的開發(fā)十分活躍。Sn-Ag合金中融點(diǎn)和成本偏高，但耐熱且可靠性高，已在歐洲的移動(dòng)電話和日本的電視機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備中開始試用。而Sn-Zn，由于Zn易氧化，回流須在N2氣氛中，要在大氣中實(shí)用化還有一段過程。總而言之，在減少鉛污染的同時(shí)，還要考慮組裝對窄間距的要求，又要避免使用CFC等。無論材料與技術(shù)上都還有許多問題需要解決。
3、無焊劑連接技術(shù)的開發(fā)
由于元器件日趨小型化和窄間距化，熔化焊接的極限已擺在面前。而為了維護(hù)人類的生存環(huán)境，焊接的無鉛化十分迫切。在這些因素的推動(dòng)下，無焊劑連接技術(shù)的開發(fā)被提上日程。
其實(shí)，IC芯片的引線鍵合就是一種無焊劑的連接技術(shù)，如超聲鍵合(利用鋁的塑性和超聲振動(dòng)劈刀，將鋁引線鍵壓于芯片和管殼的焊盤上)和熱壓焊(利用高溫熔化并加壓的焊接方法，將金絲引線鍵壓于芯片和管殼的焊盤上)等。原來，它們只限于特殊部件的組裝，但現(xiàn)在已開發(fā)出將IC連接到面線板的電極上的各種超微連接方法。
采用導(dǎo)電膠(Ag、Cu等)可將帶有鍍金焊點(diǎn)或金絲焊球的IC芯片直接連接到基板電極上，在元件與基板之間填充絕緣樹脂，以緩和二者的膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生熱應(yīng)力。保證組裝的可靠性。這一技術(shù)已在液晶顯示器和移動(dòng)電話的IC芯片組裝中使用。最近報(bào)道，小于50mm的細(xì)間距連接也已實(shí)用化。這些方法的今后課題是降低接觸電阻的擴(kuò)大組裝的適用范圍。在環(huán)境保護(hù)向電子組裝業(yè)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)前，無焊劑連接因不需要清洗并使工藝簡化而越來越受到重視。
4.控制VOC的使用與排放
控制VOC的使用與排放的總對策分為以下幾個(gè)方面：使VOC的使用在封閉或可回收的系統(tǒng)中進(jìn)行;開發(fā)水熔性焊劑，焊膠和無熔劑樹脂等、減少VOC的用量;采用界面活性劑代替有機(jī)溶劑等等?？偟膩碚f，由于VOC品種多樣、性能各異，對它的控制研究還在開始階段。
從1995年起，組裝襯底材料專用的清洗劑氟里昂和三氯乙醚會破壞地球的臭氧層，國際上就實(shí)行禁用。另外，在組裝工藝中焊接用的鉛(Pb)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)、樹脂系列布線板等組裝材料都面臨環(huán)境保護(hù)問題。某種意義上說，在組裝材料與環(huán)境保護(hù)具體選擇的實(shí)施過程中，環(huán)保在企業(yè)管理中的措施，會增加企業(yè)負(fù)擔(dān)，因此帶有一定的強(qiáng)制性。以Sn-Pb焊接為基礎(chǔ)形成的細(xì)間距QFP為例，它的一次性回流(re-flow)技術(shù)是組裝工程技術(shù)人員幾經(jīng)努力完成的?，F(xiàn)要將它改換成無Pb焊接時(shí)，對新的焊接材料的組成與評價(jià)、工藝及可靠性等許多工作則需要從頭開始。
與無鉛化焊接相對應(yīng)的對策包括以下二個(gè)方面：
1)替代焊接劑即無鉛焊接的開發(fā);
2)替代焊接劑的新的組裝技術(shù)即無鉛焊接工藝與設(shè)備的開發(fā)。
這一切意味著重新評價(jià)原有的連接技術(shù)，開發(fā)新的連接技術(shù)。
新的組裝材料與技術(shù)的開發(fā)
1.全面廢除使用氟里昂
組裝用的布線板的清洗劑CFC(氟里昂)和三氯乙醚，均會造成對臭氧層的破壞，引起地球變暖。國際社會從1989年起限制使用，在1995年禁止使用?！睹沙掷麪柟sCFC協(xié)議條款》規(guī)定發(fā)展中國家必須在2005年之前全部完成CFC的淘汰工作，屆時(shí)凡使用CFC作清潔溶劑的電子產(chǎn)品，一律禁止使用或出口。美國還對含CFC或用CFC處理過的電子產(chǎn)品進(jìn)口征收特別關(guān)稅。組裝技術(shù)中全面廢除使用氟里昂，從改變清洗方式和免清洗二個(gè)思路展開。
發(fā)達(dá)國家在PCB等相關(guān)行業(yè)實(shí)施的CFC替代方案中，目前的代用試劑為HCFC(協(xié)議規(guī)定的過渡化合物)、HFC(氫氟碳化合物)、PFC(全氟甲硼烷)、IPA(異丙醇)、丙醇和乙酸已脂等。按照國際公約規(guī)定，HCFC可用至2020年，這意味著原用CFC的清洗設(shè)備還可使用相當(dāng)一段時(shí)期。然而，新的研究又表明，PCFC和HFC雖對臭氧層破壞較小，但都有溫室效應(yīng)，尤其PCFC為CO2的1000倍。1997年底在日本召開的防止地球變暖的國際會議上又對它們提出質(zhì)疑，因此目前它們的再替代產(chǎn)品即第三代CFC又在迅速開發(fā)中。
2.無鉛焊接提上日程
電子組裝除清洗劑帶來的污染外，還有鉛、銅、錫等重金屬帶來的污染。眾所周知，Sn-Pb瞬時(shí)易焊性好且質(zhì)量有保證。容易滿足元器件的電、機(jī)械持性和可靠性要求。從射流焊轉(zhuǎn)為回流焊，工藝更為簡便。但由于錫、鉛均為重金屬，迫切需要對這一焊接的重新評價(jià)。在歐美國家，對電子工業(yè)焊接用Pb的限制及用量相關(guān)征稅已經(jīng)啟動(dòng)。日本在1994年就出臺重新分析和評價(jià)河流的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)Pb含量要控制在0.01mg/l以下。日本汽車工業(yè)協(xié)會提出到2000年汽車的排鉛量要降至目前的一半。在這一背景下，世界各國的無鉛焊接和無焊劑連接技術(shù)的開發(fā)十分活躍。
人們希望開發(fā)能采用原有的設(shè)備與工藝的新的無鉛焊接技術(shù)。它的具體要求是：1)材料成本低;2)具有與Sn-Pb共晶相近的融點(diǎn);3)電特性、機(jī)械特性和化學(xué)特性優(yōu)良;4)與現(xiàn)有的工藝與設(shè)備相兼容;5)適用于目前的組裝焊接;6)可適用于精細(xì)圖形。但遺憾的是至今還沒有找到能完全滿足以上要求的無鉛替代品。
目前對以Sn為基礎(chǔ)加Ag(銀)、Cu(銅)、Bi(鉍)、Zn(鋅)等合金的開發(fā)十分活躍。Sn-Ag合金中融點(diǎn)和成本偏高，但耐熱且可靠性高，已在歐洲的移動(dòng)電話和日本的電視機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備中開始試用。而Sn-Zn，由于Zn易氧化，回流須在N2氣氛中，要在大氣中實(shí)用化還有一段過程。總而言之，在減少鉛污染的同時(shí)，還要考慮組裝對窄間距的要求，又要避免使用CFC等。無論材料與技術(shù)上都還有許多問題需要解決。
3、無焊劑連接技術(shù)的開發(fā)
由于元器件日趨小型化和窄間距化，熔化焊接的極限已擺在面前。而為了維護(hù)人類的生存環(huán)境，焊接的無鉛化十分迫切。在這些因素的推動(dòng)下，無焊劑連接技術(shù)的開發(fā)被提上日程。
其實(shí)，IC芯片的引線鍵合就是一種無焊劑的連接技術(shù)，如超聲鍵合(利用鋁的塑性和超聲振動(dòng)劈刀，將鋁引線鍵壓于芯片和管殼的焊盤上)和熱壓焊(利用高溫熔化并加壓的焊接方法，將金絲引線鍵壓于芯片和管殼的焊盤上)等。原來，它們只限于特殊部件的組裝，但現(xiàn)在已開發(fā)出將IC連接到面線板的電極上的各種超微連接方法。
采用導(dǎo)電膠(Ag、Cu等)可將帶有鍍金焊點(diǎn)或金絲焊球的IC芯片直接連接到基板電極上，在元件與基板之間填充絕緣樹脂，以緩和二者的膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生熱應(yīng)力。保證組裝的可靠性。這一技術(shù)已在液晶顯示器和移動(dòng)電話的IC芯片組裝中使用。最近報(bào)道，小于50mm的細(xì)間距連接也已實(shí)用化。這些方法的今后課題是降低接觸電阻的擴(kuò)大組裝的適用范圍。在環(huán)境保護(hù)向電子組裝業(yè)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)前，無焊劑連接因不需要清洗并使工藝簡化而越來越受到重視。
4.控制VOC的使用與排放
控制VOC的使用與排放的總對策分為以下幾個(gè)方面：使VOC的使用在封閉或可回收的系統(tǒng)中進(jìn)行;開發(fā)水熔性焊劑，焊膠和無熔劑樹脂等、減少VOC的用量;采用界面活性劑代替有機(jī)溶劑等等?？偟膩碚f，由于VOC品種多樣、性能各異，對它的控制研究還在開始階段。
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