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PCBA中的焊锡:我们能做到不用焊锡吗?
  2020-06-30      206

作者:Joe Fjelstad, VERDANT ELECTONICS公司

焊锡是在相对比较低的温度下将金属部件连接在一起的最好材料。按照技术史学家的说法,人类是在大约4000年前,居住在不列颠地区的人在发现锡后,第一次使用焊锡来连接金属(主要用来连接装饰物和一些简单的工具)。后来,随着人类文明的发展,在各个行业中,人们发现了这种不昂贵的金属的价值,锡的简单合金的实用价值才不断扩大,例如用锡的合金来连接水管、密封汽车的散热器和制造彩色玻璃窗等。但是,在上个世纪的大部分时间里,锡合金的最重要的作用一直是用在连接电子产品中的电气元件和电子元件,从简单的连接电线到连接当今最先进的芯片和芯片封装。

对于绝大多数在电子器件中的焊锡应用,选用的焊锡合金是锡-铅合金,主要是Sn60/Pb40Sn63/ Pb37这两种焊锡合金。这两种合金是电子行业的主力合金。人们已充分了解这两种焊锡的处理方法与焊锡的可靠性,直到无铅焊锡合金的出现,2006年欧盟强制要求电子行业进行无铅转换,这一无铅转换的出发点无疑是好的,但这是一个计划不周的举措,电子行业勉强执行了这一指令。

尽管未来的无铅焊锡方案供应商声称,无铅焊锡的一切都在他们的掌控之中,但事实远非如此。在第一种高温SAC合金问世之后,电子行业很快就发现他们的生产线和产品实际上非常脆弱。为解决这个问题,已投入超过1000亿美元的资金进行试验、测试,试图找到锡铅合金的可靠替代品。

其中,最令人沮丧的一件事是,把锡铅合金强制转换到无铅合金对人类健康风险的影响被过度夸大了。诚然,在中国和南亚,有一些人的健康因电子产品的焊锡中的铅而受到伤害,但他们之所以会受到伤害是机会主义者在这些地区倾销电子垃圾的行为所导致的,而且他们并没有向当地人提供处理电子垃圾的工具,也没有训练他们如何安全地处理电子垃圾。简而言之,电子产品的焊锡中所含的铅在当时每年消费的铅总量中不到0.5%。无铅转换就像是用大炮打苍蝇。

正是在这样的环境中,Occam工艺被首次构想并提出。简而言之,它提出现在也许是考虑不使用焊锡制作电子组件的正确时机。这一灵感来自14世纪的修道士、哲学家和逻辑学家William Occam的名言:“用复杂的办法做简单事情是一种浪费”。

从提出这一构想之时起,很多人提出许多不使用焊锡的电子组装方法,但这些组装方法的基本宗旨是组装一块元件电路板,电路板上的元件终端朝上,然后逐步建立电路板的电路层(图1)。建立电路层时不必使用焊锡。这个理念遭到一些(但不是全部)焊锡行业人士的嘲笑,这并不奇怪,他们对一个不需要焊锡而且会减少收入的方案不感兴趣的原因非常明显。

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从推广无铅到现在已经有十多年了,那些完美的无铅焊锡方案并没有比当时更接近无铅的目标。虽然无法找到目前建议或使用中的各种不同的无铅合金的数量,2003年美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多矿业学院共同发布的《新型无铅焊锡主要性能数据库》中确认了大约50种不同无铅合金的特性。再加上种种不同的助焊剂,以及用于回流和用于焊膏的需要清洗的助焊剂和免清洗助焊剂,很显然,对于那些还没有找到完美解决方案的工艺开发人员,缩小一个解决方案的范围既是一项艰巨的任务,也是一项繁琐的任务。考虑到这一点,在这一简短文章的其余部分将讨论如果在组装时可以绕过焊锡,在简化设计、成本、性能和可靠性这些方面将会获得显著的预期收益。这些方面中的每一部分都值得进行简短的单独讨论。

简化设计

先进的电子产品通常是使用现有的各种芯片设计来完成任务。通常,这些芯片只有一个重要功能是有用的,但是,芯片的所有功能都必须连接,芯片才能正常工作,无论如何,芯片的所有的端子都必须接触并粘附在基板上的导体金属图案上。在这些端子之外,不起作用的端子会占用大量的基板表面,成为布线的障碍。现有范例中的一个结果是,封装的功能要在众多不同的封装格式、轮廓、高度、引线间距和终端表面层中选择。这种不协调的选择(高度除外)往往是布线的噩梦,因为设计师和设计软件都试图先找到最好的可能布线方案,然后再处理和纠正在设计的早期阶段不可避免的可能影响信号完整性的电气问题和电子问题。

Occam理念的前提是在组装件上的所有器件都使用通用的基础引线间距,根据需要固定组装对象(图2)。这包括从分立器件到CPU的所有东西。这个简单的做法可以在很大程度上减少布线的挑战,其结果是明显地减少重新设计、布线的层数和整个组件的尺寸。图3比较使用相同数量元件的结果,在后一种设计中所有元件间距都是0.5毫米。

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在电子产品制造的早期,基于网格的布线很常见,当时几乎所有的元件引线的间距都是0.100英寸。不幸的是,SMT技术对连续几代的元件终端都遵循“80%原则”,这个原则使前几代的设计师的设计优势不再。如果那时他们就选择一个基本网格间距,并减少网格来达到他们的目标,那么,今天的所有设计都会简单很多。

关于这个主题还有很多值得讨论的地方,包括关于基于网格布线和基于形状布线的讨论,这是后续文章的主题。无论如何,对基于布线方面已经做过的事情应有一个基本评价,了解不同布线方法的好处。

成本

在做成本分析时必须考虑很多因素。制造成本主要是材料成本和劳动力成本,但还有许多不太明显的因素也会影响成本(检查、测试、返工与维修、机器维护,等等)。当制造工艺中不使用焊锡时,许多工艺步骤也就消失了,与这些工艺步骤相关的各种工艺消耗品、工具和夹具也消失了。不使用焊锡的影响很明显。根据物料清单(BOM),也许可以节省5%到35%的物料,甚至更多。

一旦不需要焊锡,你也就不需要印刷电路板了。随着材料清单的选项列表范围大幅度扩大,制造电子产品所需要的材料可能会更便宜,而且性能可能也会更好。组件的尺寸可以做得更小,所需要的层数也更少(图2)。如果一个人将具体想法应用到实验对象上,还可以节省相当可观的能源和劳动力,以及其他领域的资源,但这个选项列表应该可以体现它的潜力。

性能

性能是个份量有点重的词,因为它可以通过许多方式来衡量。预期的性能提升源于一些有助于降低成本的相同因素。人们投入无数的资金来寻找能够承受与无铅焊接需要的高温的材料。在不需要高温时,希望有用的材料的清单范围能够大幅度扩大。

提高电子产品性能的方法之一是让元件靠得更近,一个挨着一个贴放,或者不使用焊锡。大多数电子组装指南对元件的放置有严格的规定,确保在组装后可以更有效地清洗组件,如果元件不能承受组装工艺的高温,需要留出拆卸和更换部件的空间。在不使用焊锡时,元件可以放得更加紧凑。这可以大幅度缩短信号的传输时间。这还可以减少跨越组件传送信号所需要的能量。

顺便说一下,当你看到一个高引脚数的BGA上有几百个输入/输出(I/O)时,高达80%的I/O是用于电源和接地,用来帮助芯片上的信号从一端传送到另一端。此外,存在与设计效率和操作有关的预期收益。在你完全熟悉这个设计理念后,你还会得到其他的好处。

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可靠性

可靠性在不同的词典中有不同的定义,但下面的可靠性定义似乎特别适合当前的讨论:一部仪器、设备或系统始终如一地执行其预定的或要求的功能或指定的任务而且不会出现可靠性下降或者故障。就像质量,因为不同的产品对质量的特定要求不同,所以它在某种程度上是可替代的。儿童玩具对可靠性的要求与植入心脏的起搏器对可靠性的要求是不一样的。

在电子产品中,很多东西都可能会出问题,但是,无论是在组装中还是在现场应用中发生故障时,故障都可以很有规律地追溯到产品中使用的焊锡或者高温焊接工艺。正如前面提到的,电子行业一直在追求材料与工艺的完美组合,以保证电子产品在它的整个制造史中首次通过成品率达到100%,但到目前为止没有取得成功。

电子行业使用的材料和工艺已经有所改善,这一点毫无疑问,但问题依然存在。看看几乎所有的电子行业期刊杂志和广告,你就会发现,它们中有相当大的比例是专门谈焊锡、助焊剂、焊接设备、改进焊接工艺、故障的识别与检测和避免返工和维修。这种包含许多环节的复杂工艺处处都有陷阱,要怎么做才是真正可靠的呢?与之相反,当在组装工艺中不使用焊锡时,事情就可能会变得很简单。而且,导致电子产品出现故障的一个主要原因被绕过去了。

现在考虑以下问题:电子组件上的元件经过全面的测试,其所有的终端的引线间距都一样,把电路组装连接到铝基板(设计的元件的CTE和铜的相匹配,两者很接近),并且封装在一个包含电路的结构中,这个结构中铝基板表面上部的各层电路通过铜通孔互相连接(图1)。撞击、振动与跌落测试的可靠性问题在很大程度上都消失了。有谁见过电路从电路板的表面脱落吗?

组装完成后,可以用金属电镀组件(不包括需要和外界连接的I/O),使组件几乎完全密封,不受ESD和EMI的影响(图4)。这种组件还具有额外的热扩散能力。

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总结

本文描述的组装与目前正在做的组装不一样,但并非不可能。进行这种组装的基础设施、材料和工艺都是现成的。我们缺的是尝试新方法的意愿。人们总会问两个问题,“怎样测试”和“你怎么返工和维修”?这两个问题的答案基本上都一样,也许最好的答案是苏格拉底的方法,把这两个问题反过来问,“你为什么要做测试”和“你为什么要进行返工和维修”?

在工艺开发中测试很重要,但是,在生产中,如果测试没有价值,合理的做法是不应该或没有必要进行测试。返工和维修也一样。如果使用正确的生产方法,并且正确执行各种工艺,就不需要这些步骤。换句话说,首先要做正确的事情,然后再把这些事情做得正确。请仔细想一想其中的道理。

总而言之,这些话也许会安慰那些生计与焊锡和焊接紧密相关的人。在可预见的将来,和目前仍然在使用的引脚双列直插式封装(DIP)一样,我们还会继续使用焊锡。每一种成熟的技术都有飞轮效应。时至今日,世界各地仍然还有一些人在制作马车鞭子。始终会有一些方法让焊锡继续在先进电子产品制造和封装构建中发挥作用,就像目前在二维和三维模块时使用的焊锡一样,未来的二维和三维模块可能会很适应无焊锡组装。这只是愿不愿意选择的问题。

“只有那些敢于冒大风险的人才能发现自己能走多远。”—T. S. Eliot

作者简介:Joe Fjelstad是Verdant Electronics公司的创始人兼首席执行官,他是电子互连和封装技术领域的国际权威和创新者,拥有超过185项已颁发或正在申请的专利。


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