无铅制程

为什么要推动无铅制程? 首先由铅(Pb)讲起

一般我们常见的锡线是 60/40 (锡Sn/铅Pb 比例)，讲究一点的会使用 63/37 ，甚至会使用含银Ag的锡线！ 至于不含铅的焊锡线有甚么好处，主要针对地球环境的保护。
铅(Pb)是目前电子产品中焊锡的主要成份之一，于很多的焊接用合金中，铅锡(Pb-Sn)合金具有低成本与适当的电器与机械性质，因此，Pb-Sn焊锡合金一直是使用最广的焊接剂材料。
美国环境保护署(EPA)指出，铅及其化合物是17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一。
人体中存在过量的铅将导致神经和再生系统紊乱、发育迟缓、血色素减少并引发贫血和高血压等疾病。
成年人血液中的铅含量如果超过80～100μg／100ml，就会出现中毒症状。
当环境中的铅被人体吸收以后，会存积在脑中，抑制脑中葡萄糖的代谢过程，导致脑组织缺氧，如果积蓄到一定程度，便会使人出现贫血、肝炎、肺炎、肺气肿、心绞痛、神经衰弱、及弥漫性脑组织损伤等多种症状。
权威调查显示，现代人体内的平均含铅量已大大超过1,000年前古人的500倍，因此对铅污染的控制刻不容缓。

世界大国推动无铅环境的现况
欧洲与日本非常热衷于电子业"禁铅令"(Lead Ban)的立法
日本消费电子产品厂商已于2001年全面使用无铅焊料；
欧盟亦立法宣布2006年7月1日之后，所有新电子设备上市时都不可含铅。
美国加州RoHS即将于2007年1月1日实施
2006年11月15日起，法国WEEE回收体系将正式开始运作。届时，法国消费者可将废弃的电子电器设备，送交经销商或当地回收点进行回收。
相对于欧盟RoHS，美国加州(California)于今年5月31日表决通过A.B.2002修正案，现已提交加州参议院(California State Senate)做进一步考虑，限制如欧盟所规范之电子电机产品内关于铅、镉、汞、六价铬等四类重金属的含量。
RoHS针对所有生产过程中以及原材料中可能含有上述六种有害物质的电气电子?品，主要包括：白家电，如电冰箱，洗衣机，微波炉，空调，吸尘器，热水器等，黑家电，如音频、视频?品，DVD，CD，电视接收机，IT商品，数字用品，通信用品等；电动工具，电动电子玩具,医疗电气设备。

美国环保署使用的评量工具称为EPEAT(Electronic Product Environmental Assessment Tool)，是美国政府为满足大型机构(包含政府机关与私人企业)采购绿色电子产品需求资助成立的的一项工具。
EPEAT由公家与私人采购单位、制造商、非营利机构、政府、废电子产品回收业者、学术机关共同于2004年11月发展完成，该系统于2006年6月正式启用。
EPEAT是独立之非营利单位-美国绿色电子委员会(Green Electronic Council)为该系统实际之负责单位。

无铅焊料为什么到今天非欧洲地区仍然不太盛行？

1. 价格，铅Pb是可以得到的最平宜金属，至于锡Sn是比铅贵十倍的金属。所以一般有95%锡Sn的无铅锡线就比有60%锡Sn的含铅锡线在成本上贵了三至四倍！还未加上银Ag的成本。
2. 焊接条件，一般常用的 63/37 锡线的溶点是183 度，但是无铅焊料一般的溶点比 63/37 锡线高出摄氏30多度。这样对工厂的焊接机器影响最大，溶点高流动性大附着性降低，就更难把锡焊上，另外机器的损耗也提高。

可靠度的杀手之一“锡晶须”
锡晶须在整个业界皆被认为是无铅产品认证的可靠性考虑因素之一????
为了控制锡晶须的产生，美国国家半导体建议可采取了下列措施
1. 建立在电镀完成的24小时以内，以一小时 150°C 处理电镀后降温程序（post-plate）。
2. 建立最低的8微米镀层厚度，有别于一般电镀厚度维持在12微米的水平。
锡晶须通常会在电镀过程中由晶格间应力产生，并且在镀锡层或锡合金电镀产品上产生。
在电镀之后，先经过数千小时的潜伏期后，便有可能开始生成锡晶须（自然形成），如有其他自然环境条件加上电器特性环境将会加速形成。
长晶潜伏期的时间长短则需视镀锡层厚度、镀锡晶格结构与基本金属结构而定。 锡晶须在整个业界皆被认为是考虑可靠性的重要因素之一，因为锡晶须的确可以造成脚与脚互相连接而导致短路。

对适合的无铅合金的要求

• 相对低成本
• 相对无危害
• 没有潜在环境污染问题；等级逐步下降
• 安全性的顺序：铋 > 锌 > 铟 > 锡 >铜 > 锑 > 银 > 铅
• 能够对常见无铅元器件和线路板终饰材料进行
• 合金必须结合现有焊剂技术和规定才能发挥作用
• 能够形成可靠焊点，没有氧化物掺杂物，焊接孔隙极小
• 与相对低温处理有可兼容性
• 抗腐蚀且不易受电解腐蚀因素的影响
• 与铜基板、带有浸金涂层的镍表面以及多种无铅基板和含铅基板相容
• 合金必须具备的品形式包括焊锡棒、焊锡线、预成型件、焊锡球以及焊锡膏
• 合金制备中使用的金属必须有充足的数量
• 低熔点 (< 240°C)
• 良好的导电性
• 良好的导热性
• 易修复性
• 适当的物理与机械强度特性
• 合金必须易于回收

无铅零件材质的选择
关于无铅零件的最重要的便是零件本身与零件镀层的耐温性，一般来说SMT零件的耐温性要求必须要达到260℃以上，另外零件脚的镀层合金组成，Ni/Pd/Au，Ni/Pd，MatteSn(非亮面)(Sn/1-3%BiorSn/1-5%Ag)都是可以适用的，至于BGA或者CSP等零件的焊锡球建议使用Sn/Ag(3-4%)/Cu(0.5-1)此合金组成。

无铅制程的SMT设备
一般来说，SMT无铅制程所使用的Reflow建议需使用8个加热区，若低于8个加热区，并非不能用于无铅制程，只是若炉子长度不够，为符合使用无铅制程所需的特征，势必要将Refolw速度降低，如此将会影响到产能。
另外由于无铅焊材的沾锡性比63/37要差，因此若要改善吃锡性的话，除了添加多量活性剂于锡膏当中之外，也只得靠氮气来增加吃锡效果。

无铅制程的Dip设备
往用于63/37制程的波焊炉是无法使用于无铅制程，主要原因为无铅锡棒的熔点都较以往提升30~40℃，因此锡槽的加热功率一定要提高，满足热补偿的速度才足够，目前各电子厂的测试作业温度大多设定在(使用锡银铜成分时260-270℃、使用锡铜成分时270-280℃)。

可靠度试验
当完成后的无铅组装板，必须执行以下几项的测试，以确保产品的可靠度：
a.振动试验(VibrationTest)&冲击测试( Shock Test)
b.冷热冲击或温度循环测试 (Thermal Shock Test & Thermal Cycling Test)
c.金相切片试验(Cross Section Test)
d.IC零件脚的拉力试验( Pull Test)
e.电阻电容的推力试验( Shear Test)
f.落下试验(Drop Test----手机、GPS、笔记本电脑、、产品)
在完成以上任一项测试后建议对测试件执行金相切片测试，以确保是否有晶格遭受破坏。例如BGA零件，IC零件，Chip零件，PTH零件，除以上零件之外若产品上有重要关键零组件也须一并进行，主要目的为观察零件与PCB基板间的焊接状态。

相关无铅电子装配的材料及工艺考虑的重要文件，明显摘录，现今使用无铅制程下，所牵引出的严重问题。几乎所有需要采用此一制程产品都受到考验。问题如下----
· 生产不良率焊着性变差、机械性能降低
· 材料成本 /失效成本 / 管理成本变高
· 制程温度上升20~40c上下造成板弯板翘
· 峰值温度更高达240~260oC周边工具及相关技术、知识缺乏
· 伴随产品功能中最重要的可靠性都无法接受环境考验
· 产品初期及中后期质量都受到严重影响