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无铅领域的可制造性设计

日期:2014年9月24日 10:33

在无铅领域,关于可制造性设计(DFM)的讨论还很少。DFM牵涉到无铅产品主要缺陷、可靠性和成本。

    DFM是加快产品上市、提高质量和降低成本的关键。因为缺陷都是在生产现场发现的,所以整机制造商(OEM)和工程界往往把有关成品率的所有问题都归咎于生产部门。不过,DFM是控制成品率的因素之一,它直接关系到产品的最终成本。其他因素包括制造设备工艺和材料的质量。

 
    因为每一家公司的货源是不同的,生产的产品用途各异,使用的设备和工艺也不尽相同,所以每一家公司都需要适合自己产品的独特DFM。建立DFM需要全体员工共同努力,而且,即便是所有资源都到位了,至少需要六个月的时间才能完成这项工作。需要全体员工一起努力才能最有效地贯彻执行各项规定和导则。有时候可能会因为商业方面的理由需要违反DFM规则和程序,这种情况只是个案,但永远不要因为技术上的原因而违反DFM的规则和程序,而且下不为例,否则,DFM 就失去意义。还应当指出,DFM要定期更新,确保它随着技术的进步而长期有效。

    你必须遵循这些要求才能得到一个最新的DFM,难怪只有不到10%的公司建立了内部的DFM并且严格遵守。只有不到10%的公司第一次合格率高于其他 90%的公司,这绝不是什么巧合。换句话说,这90%的公司甚至在从事SMT行业很长时间之后仍然存在着太多的返工。因为可能造成元件和电路板损坏,并且因为重复加热而增加易脆金属化合层的厚度,所以说,返工会提高成本、降低质量。在实现无铅时,设计人员应当时刻注意的主要DFM问题是,电路板表面镀覆的选择、层压板材料的选择和通孔方面的考虑、可靠性影响、元器件的选择,以及向后和向前兼容等问题。

    由于微间距元件和BGA器件的使用越来越多,这个行业早在无铅热潮到来之前就开始使用无铅表面处理工艺了。除了HASL之外,所有表面处理工艺都适合锡铅和无铅组装使用,例如,有机可焊性保护膜(OSP)、化镍浸金(ENIG)、浸银和浸锡。因为需要的是平整的表面镀覆层,所以它们可以用来取代 HASL。

    这些表面处理工艺各有各的优缺点,没有一种是完美的。HASL很少用在无铅上,而且因为它具有表面不平的本性——有的地方厚度不够,而有的又太厚,所以锡 /铅工艺也正在减少它的使用。人们一开始选用OSP来取代HASL,但OSP很脆而且需要经过特殊处理,在孔的填充和在电路板上进行测试时,可能存在问题,尤其是需要经过再流焊和波峰焊接两道工序的情况下。人们目前正在使用高温OSP缓解通孔填充和焊接问题。最严重的问题是,特别是在高于液相线时间(TAL)较长(90秒以上)和再流焊最高温度较高(245℃以上)时,它可能会导致BGA焊球脱落。ENIG可以防止可能出现的BGA焊球落下。镍能够有效地避免铜从PCB焊盘转移到焊球封装界面上——防止形成易脆的金属化合物和焊球脱落。

    浸银中平面的微孔或香槟状气泡,以及ENIG中呈黑色的焊盘,都是关注的焦点。这些缺陷的产生机理不同,但有一点是一致的——它们都与印刷电路板最终制造厂家的工艺控制有关,而且与电镀的化学材质有关。OSP最便宜,ENIG最贵。

    哪种表面镀覆层最适合无铅呢?目前暂时还没有结论,你必须根据实际产品需要来选择,并且要依靠印刷电路板供货厂家。在某些情况下,你可能会在DFM中使用两种表面镀覆层。例如,单面SMT使用OSP,双面电路板和混装(SMT与贴插)电路板使用浸银。如果使用的是OSP,在再流焊和波峰焊时使用氮气或者腐蚀性很小的助焊剂,可以根据产品灵活掌握,如果使用ENIG就不需要使用氮气。在选择表面镀覆层时,氮气的使用、助焊剂的类型和对成本的敏感性,这些都是重要的因素。

    本文作者是Ray Prasad 是《SMT》杂志顾问,也是《表面贴装技术:原理与实践》的作者和Ray Prasad顾问集团公司的创办人。电话:(1) 503 332 3215; 电子邮箱: smtsolver@aol.com;网址:www.rayprasad.com

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