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PCB设计流程之组装技术与环境保护
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2017-12-02
dz986532741
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在电子产品中，随着小型、轻型、薄型和高性能元器件使用量的剧增，组装技术的地位正日臻重要，组装材料与环境保护的关系也日益密切。
从1995年起，组装衬底材料专用的清洗剂氟里昂和三氯乙醚会破坏地球的臭氧层，国际上就实行禁用。另外，在组装工艺中焊接用的铅（Pb）和挥发性有机物（VOC）、树脂系列布线板等组装材料都面临环境保护问题。某种意义上说，在组装材料与环境保护具体选择的实施过程中，环保在企业管理中的措施，会增加企业负担，因此带有一定的强制性。以Sn-Pb焊接为基础形成的细间距QFP为例，它的一次性回流（re-flow）技术是组装工程技术人员几经努力完成的。现要将它改换成无Pb焊接时，对新的焊接材料的组成与评价、工艺及可靠性等许多工作则需要从头开始。
与无铅化焊接相对应的对策包括以下二个方面：
1）替代焊接剂即无铅焊接的开发；
2）替代焊接剂的新的组装技术即无铅焊接工艺与设备的开发。
这一切意味着重新评价原有的连接技术，开发新的连接技术。
新的组装材料与技术的开发
1.全面废除使用氟里昂
组装用的布线板的清洗剂CFC（氟里昂）和三氯乙醚，均会造成对臭氧层的破坏，引起地球变暖。国际社会从1989年起限制使用，在1995年禁止使用。《蒙持利尔公约CFC协议条款》规定发展中国家必须在2005年之前全部完成CFC的淘汰工作，届时凡使用CFC作清洁溶剂的电子产品，一律禁止使用或出口。美国还对含CFC或用CFC处理过的电子产品进口征收特别关税。组装技术中全面废除使用氟里昂，从改变清洗方式和免清洗二个思路展开。
发达国家在PCB等相关行业实施的CFC替代方案中，目前的代用试剂为HCFC（协议规定的过渡化合物）、HFC（氢氟碳化合物）、PFC（全氟甲硼烷）、IPA（异丙醇）、丙醇和乙酸已脂等。按照国际公约规定，HCFC可用至2020年，这意味着原用CFC的清洗设备还可使用相当一段时期。然而，新的研究又表明，PCFC和HFC虽对臭氧层破坏较小，但都有温室效应，尤其PCFC为CO2的1000倍。1997年底在日本召开的防止地球变暖的国际会议上又对它们提出质疑，因此目前它们的再替代产品即第三代CFC又在迅速开发中。
2.无铅焊接提上日程
电子组装除清洗剂带来的污染外，还有铅、铜、锡等重金属带来的污染。众所周知，Sn-Pb瞬时易焊性好且质量有保证。容易满足元器件的电、机械持性和可靠性要求。从射流焊转为回流焊，工艺更为简便。但由于锡、铅均为重金属，迫切需要对这一焊接的重新评价。在欧美国家，对电子工业焊接用Pb的限制及用量相关征税已经启动。日本在1994年就出台重新分析和评价河流的水质标准，强调Pb含量要控制在0.01mg/l以下。日本汽车工业协会提出到2000年汽车的排铅量要降至目前的一半。在这一背景下，世界各国的无铅焊接和无焊剂连接技术的开发十分活跃。
人们希望开发能采用原有的设备与工艺的新的无铅焊接技术。它的具体要求是：1）材料成本低；2）具有与Sn-Pb共晶相近的融点；3）电特性、机械特性和化学特性优良；4）与现有的工艺与设备相兼容；5）适用于目前的组装焊接；6）可适用于精细图形。但遗憾的是至今还没有找到能完全满足以上要求的无铅替代品。
目前对以Sn为基础加Ag（银）、Cu（铜）、Bi（铋）、Zn（锌）等合金的开发十分活跃。Sn-Ag合金中融点和成本偏高，但耐热且可靠性高，已在欧洲的移动电话和日本的电视机、办公自动化设备中开始试用。而Sn-Zn，由于Zn易氧化，回流须在N2气氛中，要在大气中实用化还有一段过程。总而言之，在减少铅污染的同时，还要考虑组装对窄间距的要求，又要避免使用CFC等。无论材料与技术上都还有许多问题需要解决。
3、无焊剂连接技术的开发
由于元器件日趋小型化和窄间距化，熔化焊接的极限已摆在面前。而为了维护人类的生存环境，焊接的无铅化十分迫切。在这些因素的推动下，无焊剂连接技术的开发被提上日程。
其实，IC芯片的引线键合就是一种无焊剂的连接技术，如超声键合（利用铝的塑性和超声振动劈刀，将铝引线键压于芯片和管壳的焊盘上）和热压焊（利用高温熔化并加压的焊接方法，将金丝引线键压于芯片和管壳的焊盘上）等。原来，它们只限于特殊部件的组装，但现在已开发出将IC连接到面线板的电极上的各种超微连接方法。
采用导电胶（Ag、Cu等）可将带有镀金焊点或金丝焊球的IC芯片直接连接到基板电极上，在元件与基板之间填充绝缘树脂，以缓和二者的膨胀系数不同所产生热应力。保证组装的可靠性。这一技术已在液晶显示器和移动电话的IC芯片组装中使用。最近报道，小于50mm的细间距连接也已实用化。这些方法的今后课题是降低接触电阻的扩大组装的适用范围。在环境保护向电子组装业的严峻挑战前，无焊剂连接因不需要清洗并使工艺简化而越来越受到重视。
4.控制VOC的使用与排放
控制VOC的使用与排放的总对策分为以下几个方面：使VOC的使用在封闭或可回收的系统中进行；开发水熔性焊剂，焊胶和无熔剂树脂等、减少VOC的用量；采用界面活性剂代替有机溶剂等等。总的来说，由于VOC品种多样、性能各异，对它的控制研究还在开始阶段。
从1995年起，组装衬底材料专用的清洗剂氟里昂和三氯乙醚会破坏地球的臭氧层，国际上就实行禁用。另外，在组装工艺中焊接用的铅（Pb）和挥发性有机物（VOC）、树脂系列布线板等组装材料都面临环境保护问题。某种意义上说，在组装材料与环境保护具体选择的实施过程中，环保在企业管理中的措施，会增加企业负担，因此带有一定的强制性。以Sn-Pb焊接为基础形成的细间距QFP为例，它的一次性回流（re-flow）技术是组装工程技术人员几经努力完成的。现要将它改换成无Pb焊接时，对新的焊接材料的组成与评价、工艺及可靠性等许多工作则需要从头开始。
与无铅化焊接相对应的对策包括以下二个方面：
1）替代焊接剂即无铅焊接的开发；
2）替代焊接剂的新的组装技术即无铅焊接工艺与设备的开发。
这一切意味着重新评价原有的连接技术，开发新的连接技术。
新的组装材料与技术的开发
1.全面废除使用氟里昂
组装用的布线板的清洗剂CFC（氟里昂）和三氯乙醚，均会造成对臭氧层的破坏，引起地球变暖。国际社会从1989年起限制使用，在1995年禁止使用。《蒙持利尔公约CFC协议条款》规定发展中国家必须在2005年之前全部完成CFC的淘汰工作，届时凡使用CFC作清洁溶剂的电子产品，一律禁止使用或出口。美国还对含CFC或用CFC处理过的电子产品进口征收特别关税。组装技术中全面废除使用氟里昂，从改变清洗方式和免清洗二个思路展开。
发达国家在PCB等相关行业实施的CFC替代方案中，目前的代用试剂为HCFC（协议规定的过渡化合物）、HFC（氢氟碳化合物）、PFC（全氟甲硼烷）、IPA（异丙醇）、丙醇和乙酸已脂等。按照国际公约规定，HCFC可用至2020年，这意味着原用CFC的清洗设备还可使用相当一段时期。然而，新的研究又表明，PCFC和HFC虽对臭氧层破坏较小，但都有温室效应，尤其PCFC为CO2的1000倍。1997年底在日本召开的防止地球变暖的国际会议上又对它们提出质疑，因此目前它们的再替代产品即第三代CFC又在迅速开发中。
2.无铅焊接提上日程
电子组装除清洗剂带来的污染外，还有铅、铜、锡等重金属带来的污染。众所周知，Sn-Pb瞬时易焊性好且质量有保证。容易满足元器件的电、机械持性和可靠性要求。从射流焊转为回流焊，工艺更为简便。但由于锡、铅均为重金属，迫切需要对这一焊接的重新评价。在欧美国家，对电子工业焊接用Pb的限制及用量相关征税已经启动。日本在1994年就出台重新分析和评价河流的水质标准，强调Pb含量要控制在0.01mg/l以下。日本汽车工业协会提出到2000年汽车的排铅量要降至目前的一半。在这一背景下，世界各国的无铅焊接和无焊剂连接技术的开发十分活跃。
人们希望开发能采用原有的设备与工艺的新的无铅焊接技术。它的具体要求是：1）材料成本低；2）具有与Sn-Pb共晶相近的融点；3）电特性、机械特性和化学特性优良；4）与现有的工艺与设备相兼容；5）适用于目前的组装焊接；6）可适用于精细图形。但遗憾的是至今还没有找到能完全满足以上要求的无铅替代品。
目前对以Sn为基础加Ag（银）、Cu（铜）、Bi（铋）、Zn（锌）等合金的开发十分活跃。Sn-Ag合金中融点和成本偏高，但耐热且可靠性高，已在欧洲的移动电话和日本的电视机、办公自动化设备中开始试用。而Sn-Zn，由于Zn易氧化，回流须在N2气氛中，要在大气中实用化还有一段过程。总而言之，在减少铅污染的同时，还要考虑组装对窄间距的要求，又要避免使用CFC等。无论材料与技术上都还有许多问题需要解决。
3、无焊剂连接技术的开发
由于元器件日趋小型化和窄间距化，熔化焊接的极限已摆在面前。而为了维护人类的生存环境，焊接的无铅化十分迫切。在这些因素的推动下，无焊剂连接技术的开发被提上日程。
其实，IC芯片的引线键合就是一种无焊剂的连接技术，如超声键合（利用铝的塑性和超声振动劈刀，将铝引线键压于芯片和管壳的焊盘上）和热压焊（利用高温熔化并加压的焊接方法，将金丝引线键压于芯片和管壳的焊盘上）等。原来，它们只限于特殊部件的组装，但现在已开发出将IC连接到面线板的电极上的各种超微连接方法。
采用导电胶（Ag、Cu等）可将带有镀金焊点或金丝焊球的IC芯片直接连接到基板电极上，在元件与基板之间填充绝缘树脂，以缓和二者的膨胀系数不同所产生热应力。保证组装的可靠性。这一技术已在液晶显示器和移动电话的IC芯片组装中使用。最近报道，小于50mm的细间距连接也已实用化。这些方法的今后课题是降低接触电阻的扩大组装的适用范围。在环境保护向电子组装业的严峻挑战前，无焊剂连接因不需要清洗并使工艺简化而越来越受到重视。
4.控制VOC的使用与排放
控制VOC的使用与排放的总对策分为以下几个方面：使VOC的使用在封闭或可回收的系统中进行；开发水熔性焊剂，焊胶和无熔剂树脂等、减少VOC的用量；采用界面活性剂代替有机溶剂等等。总的来说，由于VOC品种多样、性能各异，对它的控制研究还在开始阶段。
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