PCB设计流程之组装技术与环境保护

27 7月 2017

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。下面就随手机便携小编一起来了解一下相关内容吧。

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。


来源:电子工程世界

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