改變IC材料以適應(yīng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

IC提供商采用無鉛材料將如何影響您的設(shè)計(jì)

隨著2006年6月1日的漸漸臨近，“關(guān)于在電子電氣設(shè)備禁止使用某些有害物質(zhì)指令”，也就是歐盟的RoHS指令即將生效，設(shè)計(jì)工程師或他們的IC供應(yīng)商開始采納該指令。幾乎所有的IC生產(chǎn)商都引入了新的無鉛材料，設(shè)計(jì)師需要了解這些新材料以及新材料對(duì)其產(chǎn)品產(chǎn)生何影響。

RoHS指令的主要影響是采用無鉛引線框的涂層、耐高溫材料，也許還要引入新的“綠色”成型化合物。為滿足無鉛錫銀銅(SnAgCu)焊料的回流焊要求，波峰回流焊的溫度會(huì)從210℃上升到260℃，IC供應(yīng)商必須采用滿足新的波峰回流焊溫度的封裝材料。

幾種獨(dú)特的無鉛加工已經(jīng)被IC元件供應(yīng)商所采用，其焊球和引線框封裝所用的材料有所不同。

IC的焊球陣列封裝

最初用于焊球陣列封裝的無鉛球冶材料是錫銀銅(SnAgCu)，有時(shí)這種特殊的合金在使用時(shí)會(huì)略有變化，但大多數(shù)情況下還是與所用的SnAgCu焊料基本一樣。National Electronics Manufacturing Initiative(NEMI)建議將Sn3.6Ag0.6Cu合金用作回流焊焊料。多數(shù)IC提供商采用了了SnAgCu材料，其中Ag的含量在3.0%～4.0%之間。

向后兼容對(duì)焊球陣列封裝來說是一個(gè)問題。以往的評(píng)估表明，標(biāo)準(zhǔn)的有鉛回流焊環(huán)境(210～230℃)不能為SnAgCu焊球提供足夠的回流焊溫度。

要點(diǎn)是無鉛焊球與有鉛焊料涂層有足夠的混合，特別是在溫度范圍的低端。業(yè)界的共識(shí)是，無鉛焊球封裝不應(yīng)該用在非無鉛焊料的操作中。對(duì)應(yīng)于含錫鉛的型號(hào)，IC提供商一般會(huì)給無鉛型的焊球陣列封裝提供不同的產(chǎn)品編號(hào)。

IC引線框封裝

IC生產(chǎn)商有多種基于銅的金屬引線框封裝可供選擇，但最后只采用了很少的幾種。大多數(shù)IC提供商正在使用錫鉛電鍍工藝(在IC成型操作之后)。

對(duì)于那些后成型電鍍的加工來說，顯然可以用純錫(Sn)來替換。錫鉍(SnBi)是目前正在使用的后成型電鍍的另一種選擇。對(duì)于那些傾向于使用預(yù)電鍍引線框的IC提供商來說，鎳鈀金(NiPdAu)是首選的加工材料。NiPdAu在20世紀(jì)90年代早期就被引入，用來提高在20世紀(jì)80年代末期開始使用的鎳鈀(NiPd)合金的性能。

雖然純錫有著良好的焊接性能，但是晶須的生長是一個(gè)潛在的問題。大多數(shù)錫合金會(huì)長出被稱為晶須的細(xì)絲，而且通常是在對(duì)焊節(jié)施加應(yīng)力和高溫的情況下。

到目前為止，業(yè)內(nèi)就晶須問題是否會(huì)影響長期可靠性還有爭(zhēng)論?？墒?，客戶常常要求這些選用純錫或錫合金的IC生產(chǎn)商提供測(cè)試數(shù)據(jù)。

“錫害”是另一個(gè)與純錫鍍層有關(guān)的潛在的可靠性問題。錫在溫度低于13℃時(shí)會(huì)發(fā)生相變，鍍錫會(huì)變成粉末狀，引發(fā)可焊性和連續(xù)性問題。一些生產(chǎn)商建議在溫度低于13℃時(shí)，避免長期存儲(chǔ)鍍錫的元器件。

有些IC生產(chǎn)商正在使用NiPdAu預(yù)電鍍涂層，其好處是不會(huì)出現(xiàn)晶須生長的問題。終端用戶也許不得不學(xué)習(xí)如何通過視覺外觀區(qū)分使用后電鍍?cè)c預(yù)電鍍?cè)暮腹?jié)。

后電鍍?cè)谡麄€(gè)引腳的外表面都裹上了一層焊料，這樣焊料在回流焊過程中沿引腳側(cè)向下流動(dòng)。預(yù)電鍍NiPdAu涂層引線框在引腳上沒有焊料鍍層，用來形成焊節(jié)的焊料是由用戶加到印制板上去的。預(yù)電鍍鈀涂層的元件可滿足業(yè)界常用的焊接標(biāo)準(zhǔn)。

一些生產(chǎn)商采用錫鉍(SnBi)作為后成型鍍層元件的加工材料。由于SnBi是可焊的，在原先的錫鉛焊接工藝中要考慮鉍的混合問題，因?yàn)殄a、鉛和鉍的三重合金將在96℃時(shí)熔化。

在接近和達(dá)到熔化溫度的應(yīng)用中，這種三重合金會(huì)在焊節(jié)處匯集，會(huì)降低可靠性。大多數(shù)SnBi元件鍍層含有不到5%的鉍，這些鉍不會(huì)形成三重合金，這是OEM廠商需要注意的事情。

成本

當(dāng)然還有其他無鉛材料可供選擇，上面提到的這些材料是目前使用的主要產(chǎn)品。對(duì)終端用戶而言，向無鉛轉(zhuǎn)換只有很小或者干脆沒有成本上的影響。當(dāng)然，滿足更高的無鉛焊接溫度可能意味著元件提供商將采用更新、更昂貴的裝配材料。設(shè)計(jì)師應(yīng)該了解由他們的供貨商所引起的這些成本。有些提供商也許會(huì)轉(zhuǎn)嫁這些成本，而有些則將這種轉(zhuǎn)換視為做生意所必需的成本。

設(shè)計(jì)師需要對(duì)許多因素進(jìn)行衡量，重新檢查材料單，核準(zhǔn)新的無鉛部件，但最重要的是要了解他們的IC提供商所采用的加工材料。提供商通過網(wǎng)站提供了許多資源，來幫助設(shè)計(jì)師了解他們的材料組合，以及他們碰到的任何事情。現(xiàn)在應(yīng)該花時(shí)間來收集證據(jù)和獲取知識(shí)，而不是在可靠性問題上浪費(fèi)額外的時(shí)間和成本。