PCB設計流程之組裝技術(shù)與環(huán)境保護

    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，國際上就實行禁用。另外，在組裝工藝中焊接用的鉛(Pb)和揮發(fā)性有機物(VOC)、樹脂系列布線板等組裝材料都面臨環(huán)境保護問題。某種意義上說，在組裝材料與環(huán)境保護具體選擇的實施過程中，環(huán)保在企業(yè)管理中的措施，會增加企業(yè)負擔，因此帶有一定的強制性。以Sn-Pb焊接為基礎形成的細間距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。現(xiàn)要將它改換成無Pb焊接時，對新的焊接材料的組成與評價、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的對策包括以下二個方面： 

    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備的開發(fā)。 

    這一切意味著重新評價原有的連接技術(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。《蒙持利爾公約CFC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思路展開。 

    發(fā)達國家在PCB等相關(guān)行業(yè)實施的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的清洗設備還可使用相當一段時期。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，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瞬時易焊性好且質(zhì)量有保證。容易滿足元器件的電、機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。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。日本在1994年就出臺重新分析和評價河流的水質(zhì)標準，強調(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;3)電特性、機械特性和化學特性優(yōu)良;4)與現(xiàn)有的工藝與設備相兼容;5)適用于目前的組裝焊接;6)可適用于精細圖形。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合金中融點和成本偏高，但耐熱且可靠性高，已在歐洲的移動電話和日本的電視機、辦公自動化設備中開始試用。而Sn-Zn，由于Zn易氧化，回流須在N2氣氛中，要在大氣中實用化還有一段過程?？偠灾?，在減少鉛污染的同時，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。在這些因素的推動下，無焊劑連接技術(shù)的開發(fā)被提上日程。 

    其實，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。 

    采用導電膠(Ag、Cu等)可將帶有鍍金焊點或金絲焊球的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)生熱應力。保證組裝的可靠性。這一技術(shù)已在液晶顯示器和移動電話的IC芯片組裝中使用。最近報道，小于50mm的細間距連接也已實用化。這些方法的今后課題是降低接觸電阻的擴大組裝的適用范圍。在環(huán)境保護向電子組裝業(yè)的嚴峻挑戰(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方面：使VOC的使用在封閉或可回收的系統(tǒng)中進行;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。