綠色工程在可靠性和物流方面所面臨的挑戰(zhàn)

1、    綠色工程在可靠性和物流方面所面臨的挑戰(zhàn)    綠色工程在可靠性和物流方面所面臨的挑戰(zhàn)    類別：電源技術(shù)                              &nbs

2、p作者：Gina Roos         &nbspWith the popular and deepening practice of the RoHS, chip makers is now speeding up their transition to lead-free finishes and "green" packaging. In the substances involved in RoHS, the Elimination of lead, which has been wi

3、dely used in semiconductor packaging, circuit boards and other component types due to its electrical and mechanical properties, has significantly impacted the electronics industry. The biggest technical challenges: selecting a suitable replacement for reliable tin/lead finishes and choosing a mold c

4、ompound that could meet the higher reflow temperatures required by lead-free processing. At the same time, the logistic industry is facing big challenge too.        &nbsp隨著RoHS指令的普遍和深入實施，所有的芯片制造商都在向無鉛制造和綠色封裝加速過渡。在RoHS指令包含的各種材料中，對鉛的禁用將對電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生最深遠(yuǎn)的影響。最大的技術(shù)挑戰(zhàn)在于：需選擇

5、一種可靠的替代鉛錫鍍層的合適材料以及一種滿足無鉛工藝要求的更高回流溫度的封裝材料。與此同時，物流保障方面也面臨很大的挑戰(zhàn)。         &nbsp主要受歐盟在電子設(shè)備中對包括鉛在內(nèi)的6種物質(zhì)的禁用(RoHS)指令的推動，芯片制造商早在幾年前就開始向無鉛涂鍍和“綠色”封裝進(jìn)行過渡。由于鉛本身的電氣和機械特性，使其在半導(dǎo)體封裝、電路板和其它電子零部件中得到廣泛使用。因此，對鉛的禁用將對電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。最大的技術(shù)挑戰(zhàn)在于：需選擇一種可靠的替代鉛錫鍍層的合適材料以及一種滿足無鉛工藝要求的更高回流溫度的塑封材料。在制

6、造商致力于解決這些可靠性問題之際，又出現(xiàn)了其它一些重要問題，包括：物流和庫存管理、對應(yīng)零件代碼的變化及材料成分信息管理。         &nbsp雖然實施無鉛工藝并不容易，但一些IC供應(yīng)商已經(jīng)實施了新的制造方法，并降低了無鉛工藝帶來的許多風(fēng)險，其中最顯著的風(fēng)險是錫須和焊點可靠性。         &nbsp向無鉛工藝轉(zhuǎn)變的最大挑戰(zhàn)之一是錫須(tin whisker)，它可導(dǎo)致電氣短路和系統(tǒng)癱瘓。雖然已證明啞光純錫鍍層是替代塑封中的鉛錫合金

7、的最佳材料，但發(fā)現(xiàn)無論是在純錫還是在復(fù)合鍍錫中都會出現(xiàn)錫須導(dǎo)電晶絲。         &nbspRoHS指令規(guī)定，在固定的一段時期內(nèi)，一些高可靠性領(lǐng)域可以豁免執(zhí)行，這些領(lǐng)域包括軍事/航天及部分工業(yè)控制和電信產(chǎn)品。這樣做的一個主要原因就是錫須問題。對這些領(lǐng)域來說，器件制造商可以在元器件引腳上繼續(xù)使用鉛錫鍍層或鍍金處理。但在某些場合，包括TI在內(nèi)的一些芯片制造商，選用鎳/鈀/金(NiPdAu)鍍層，已經(jīng)解決了錫須問題。         &nbs

8、p通過對業(yè)界所接受的各種工藝比較后，啞光鍍錫被選用，這是由于其電氣、機械和防潮等性能都較好，負(fù)責(zé)RoHS無鉛項目的ADI的封裝和組裝工程師Kathleen McLaughlin表示：“只要在板級處理工藝是為給定器件優(yōu)化并確?？煽亢附樱蜎]有前向和后向兼容問題。”         &nbsp也有其他一些人持相同觀點?！俺隋a須問題以外，錫是一種很棒的金屬，”Microsemi公司的技術(shù)總監(jiān)Ray DiBugnara表示。“直到出現(xiàn)系統(tǒng)失效，軍事部門在過去很長一段時間內(nèi)都一直使用純錫。目前，IC工作在A級水平、工作電壓很

9、低，間隔只有10mil，所以，如果出現(xiàn)錫須，則它幾乎不需要電流就能自動觸發(fā)邏輯翻轉(zhuǎn)，從而使系統(tǒng)癱瘓。         &nbspIC供應(yīng)商并非對鎳/鈀/金涂鍍技術(shù)熟視無睹，問題在于該工藝成本太高。除需修改工具外、還要進(jìn)行工藝表征和認(rèn)證工作。采用鎳/鈀/金鍍層工藝并確保不同封裝類型都符合要求，是一項代價高昂、資源密集的工作。         &nbsp以TI的情況為例，當(dāng)它在1989年，不得不替換其浸焊設(shè)備時，TI轉(zhuǎn)而采用鎳/鈀/金涂敷工藝，

10、TI的無鉛項目經(jīng)理Ken Farrington介紹。TI決定不再使用后鍍工藝，將工藝轉(zhuǎn)換到鎳/鈀/金的引腳框架(lead frame)，以省去組件上的浸焊步驟，而且也加快了產(chǎn)品上市速度。         &nbspFarrington相信，許多芯片制造商采用啞光鍍錫的部分原因是，他們將合同轉(zhuǎn)包給裝配線上使用浸焊工藝的第三方。對于表面貼裝元件來說，從基于鉛的浸焊工藝向鎳/鈀/金的引腳框架工藝的轉(zhuǎn)變不是一件小事情，他說，“這并非一個簡單的認(rèn)證問題，許多半導(dǎo)體制造商尚不敢冒產(chǎn)品上市進(jìn)度的風(fēng)險。”   &

11、#160;     &nbspFarrington相信，隨著時間的推移，包括軍事和電信領(lǐng)域在內(nèi)的需要高可靠性的戰(zhàn)略用戶將會鼓勵這些半導(dǎo)體公司向鎳/鈀/金的鍍金工藝轉(zhuǎn)變。                  &nbsp圖1：材料的RoHS門限級別。              &

12、#160;  &nbsp圖2：RoHS涉及所有IC封裝材料。        &nbsp緩解錫須問題的兩項關(guān)鍵措施         &nbspIC制造商已采取了兩項關(guān)鍵措施來減小錫須形成的可能。一項業(yè)界認(rèn)可的工藝是在鍍后的24小時內(nèi)，在150的溫度下，進(jìn)行歷時1小時的后淬火烘焙處理。         &nbsp另一項措施是增加錫層的厚度，

13、一般是將厚度從7.6微米增加至10微米。許多IC供應(yīng)商還仔細(xì)監(jiān)測其電鍍工藝，以確保錫槽內(nèi)的雜質(zhì)處在最低水平。雖然IC供應(yīng)商一直仔細(xì)進(jìn)行這樣的工藝監(jiān)控，但隨著向純錫鍍層工藝的轉(zhuǎn)變，這一問題變得更加重要，供應(yīng)商表示。         &nbsp“錫須是錫鍍層固有的問題，“ADI的McLaughlin表示，“業(yè)內(nèi)對其機理尚不完全了解，所以我們能做的也就是實施我們眼下進(jìn)行的緩解戰(zhàn)略。”         &nbsp實施無鉛球柵陣列封裝時，出現(xiàn)另一個問

14、題，球柵陣列原來一般都采用錫、銀和銅的合金(Sn/Ag/Cu)焊球。“總體上說，業(yè)界不主張在有鉛的回流工藝中，采用無鉛球柵陣列，因為可能發(fā)生不好的焊球連接，”TI的Farrington介紹說，“這是因為，無鉛焊球采用與線路板上的焊糊相同的材料(錫/銀/銅)，所以，為了實現(xiàn)適當(dāng)?shù)娜诨?回流，焊點和焊盤都需要高溫回流工藝。這樣，如一個無鉛球柵陣列用于一塊老的含鉛PCB和低溫回流處理工藝，則無鉛球柵陣列上的焊點可能無法充分融化，從而導(dǎo)致焊接處接觸不良?！?        &nbsp從實際操作性的角度出發(fā)，要完成球柵陣列的過

15、渡轉(zhuǎn)換，無論哪家供應(yīng)商提供的IC，用戶操作起來都更復(fù)雜他們無法將無鉛球柵陣列同時用于焊球和焊盤，F(xiàn)arrington表示，這樣，用戶必須對焊球和焊盤進(jìn)行分別處理，使得工作量加倍。         &nbsp擔(dān)憂“錫須”的用戶通常對基于啞光鍍錫涂鍍的引腳框架抱有同樣的疑慮，F(xiàn)arrington表示，“它們更愿意在“含鉛”的系統(tǒng)中采用“含鉛”處理工藝，這就再一次使工作量加倍。”         &nbsp需要支持260的回流溫度是另一項挑戰(zhàn)。無

16、鉛焊料的焊接溫度一般比鉛錫焊料的焊接溫度高30。如果器件無法忍耐這樣高的溫度，就會出現(xiàn)斷層、爆裂和材料擊穿等問題。另外，已發(fā)現(xiàn)更高溫度會降低濕度敏感度等級(MSL)。所以，必須注意：一款符合RoHS的器件并不意味著它一定就能忍受如此高的回流溫度。         &nbsp與大多芯片制造商一樣，ADI考慮到了更高回流溫度對封裝造成的影響。研究的結(jié)果是，為將斷層現(xiàn)象降至最小，ADI改變了其塑封及與芯片粘接的材料，McLaughlin表示。        

17、60;&nbsp供應(yīng)商必須確保新的符合要求的封裝仍能滿足Jedec J-STD-020中對MSL等級的要求。雖然許多IC供應(yīng)商已設(shè)法維持與等同的含鉛元件相同的MSL等級，但某些產(chǎn)品因為MSL等級的下降，不得不對其進(jìn)行重新分類。         &nbsp“例如，若將MSL等級從1變?yōu)?，將要求制造商在出售產(chǎn)品前，對產(chǎn)品進(jìn)行干包裝并烘干，這同樣增加了成本，”安森美半導(dǎo)體的無鉛項目總監(jiān)Marji Baumann表示。         &

18、nbspJedec指導(dǎo)方針         &nbsp為幫助制造商降低由錫須所產(chǎn)生的風(fēng)險，Jedec制定了一組指導(dǎo)方針其中，器件供應(yīng)商能用JESD22A121確定其鍍錫層是否有可能出現(xiàn)錫須；而用J-STD 20可以重新確定器件的MSL等級。iNEMI錫須用戶組也頒布了有關(guān)高可靠性產(chǎn)品中所用器件的無鉛涂鍍的指導(dǎo)建議。         &nbsp還有一種倡導(dǎo)，即對用在無鉛裝配線上的器件和電路板進(jìn)行更多的認(rèn)證。    

19、;     &nbsp“當(dāng)選取器件時，必須考慮兩件事，”正在關(guān)注全球RoHS實施的Celestica公司運營總監(jiān)Joe Scala表示，“該器件滿足相關(guān)的全部約束嗎？從你將要采用的產(chǎn)品裝配工藝的角度來看，它又意味著什么呢？”         &nbspScala表示，僅進(jìn)行器件和獨立焊接認(rèn)證已無法滿足要求。必須同時對板上多個器件的互連性進(jìn)行評估的進(jìn)行擴展的第二級認(rèn)證，而不是僅僅評估一個器件的焊點與PCB的連接性能。      &#

20、160;  &nbsp許多基于鉛錫焊料的可靠性模型能用于現(xiàn)場性能預(yù)測，但錫/銀/銅并沒有類似的模型可資借鑒，Celestica的首席工程師Thilo Sack表示，“我們越來越多地了解了這些新焊料的特征，但仍有許多未解之謎?！?        &nbsp包括錫、錫/鉍、錫/銀、錫/銀/銅等在內(nèi)的鍍層材料的增多，使問題更趨復(fù)雜；這意味著與先前僅需處理鉛錫鍍層的引腳框架相比，公司必須要應(yīng)對多得多的互連問題。         

21、&nbsp遵循RoHS要求的最棘手問題之一是收集、儲存和報告每一器件的詳盡材料成分信息。這是公司應(yīng)承擔(dān)的說明書內(nèi)容的一部分。對某些供應(yīng)商來說，這是項非常痛苦且需手工處理的工作。         &nbsp雖然RoHS條例并沒確切規(guī)定，供應(yīng)商要提供哪些材料來證明器件符合要求，但它卻明確無誤地指出下列物質(zhì)是禁用的：鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)苯(PBB)和多溴聯(lián)二苯醚(PBDE)。         &nbsp過去，不要求供應(yīng)商必須提供諸如

22、此類的詳盡器件信息，但供應(yīng)商表示，該信息將很快同電氣和機械規(guī)范一樣，成為產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊的一部分內(nèi)容。因來自用戶對材料聲明數(shù)據(jù)的眾多查詢，許多領(lǐng)先的IC供應(yīng)商已推出一種支持其用戶通過網(wǎng)絡(luò)查詢工具自動獲取該信息的系統(tǒng)。         &nbsp包括ADI、TI和Actel在內(nèi)的許多公司，已開通了包括器件搜索工具的無鉛封裝網(wǎng)站，這些網(wǎng)站不僅提供RoHS狀況、產(chǎn)品和封裝信息、高溫數(shù)據(jù)和器件重量，還提供材料成分?jǐn)?shù)據(jù)，單位為百萬分之一。一些供應(yīng)商還提供到材料聲明文件(這些文件詳述了同類材料的細(xì)分目錄)以及資格認(rèn)證文件的鏈接。 &

23、#160;       &nbsp除歐盟在RoHS條例中規(guī)定禁用的6種物質(zhì)之外，一些供應(yīng)商還提供包括在JIG(Joint Industry Group)文件中列出的化合物的成分?jǐn)?shù)據(jù)(許多OEM需向其日本客戶通報這些內(nèi)容)等材料成分信息。JIG包括A級(禁用物質(zhì))和B級(關(guān)注但并不禁用的物質(zhì))清單。         &nbsp一些供應(yīng)商也提供可循環(huán)利用材料內(nèi)容以滿足歐盟的WEEE指令中的要求。         &nbsp掌握材料數(shù)據(jù)         &nbsp“通常，OEM廠商需提交一份用在其產(chǎn)品內(nèi)的全部材料的循環(huán)利用報告，所以，除了RoHS的6種禁用物質(zhì)外，還需要其它材料成分信息，”ADI的Farrington表示，“除所有可再利用材料之外，它們還需跟蹤任何可能的有害材料?！?        &nbsp“我們知道用了多少裸片粘貼材料、