作者:Gina Roos
With 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 widely 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 compound that could meet the higher reflow temperatures required by lead-free processing. At the same time, the logistic industry is facing big challenge too.
随着RoHS指令的普遍和深入实施,所有的芯片制造商都在向无铅制造和绿色封装加速过渡。在RoHS指令包含的各种材料中,对铅的禁用将对电子产业产生最深远的影响。最大的技术挑战在于:需选择一种可靠的替代铅锡镀层的合适材料以及一种满足无铅工艺要求的更高回流温度的封装材料。与此同时,物流保障方面也面临很大的挑战。
主要受欧盟在电子设备中对包括铅在内的6种物质的禁用(RoHS)指令的推动,芯片制造商早在几年前就开始向无铅涂镀和“绿色”封装进行过渡。由于铅本身的电气和机械特性,使其在半导体封装、电路板和其它电子零部件中得到广泛使用。因此,对铅的禁用将对电子产业产生深远影响。最大的技术挑战在于:需选择一种可靠的替代铅锡镀层的合适材料以及一种满足无铅工艺要求的更高回流温度的塑封材料。在制造商致力于解决这些可靠性问题之际,又出现了其它一些重要问题,包括:物流和库存管理、对应零件代码的变化及材料成分信息管理。
虽然实施无铅工艺并不容易,但一些IC供应商已经实施了新的制造方法,并降低了无铅工艺带来的许多风险,其中最显著的风险是锡须和焊点可靠性。
向无铅工艺转变的最大挑战之一是锡须(tin whisker),它可导致电气短路和系统瘫痪。虽然已证明哑光纯锡镀层是替代塑封中的铅锡合金的最佳材料,但发现无论是在纯锡还是在复合镀锡中都会出现锡须——导电晶丝。
RoHS指令规定,在固定的一段时期内,一些高可靠性领域可以豁免执行,这些领域包括军事/航天及部分工业控制和电信产品。这样做的一个主要原因就是锡须问题。对这些领域来说,器件制造商可以在元器件引脚上继续使用铅锡镀层或镀金处理。但在某些场合,包括TI在内的一些芯片制造商,选用镍/钯/金(NiPdAu)镀层,已经解决了锡须问题。
通过对业界所接受的各种工艺比较后,哑光镀锡被选用,这是由于其电气、机械和防潮等性能都较好,负责RoHS无铅项目的ADI的封装和组装工程师Kathleen McLaughlin表示:“只要在板级处理工艺是为给定器件优化并确保可靠焊接,就没有前向和后向兼容问题。”
也有其他一些人持相同观点。“除了锡须问题以外,锡是一种很棒的金属,”Microsemi公司的技术总监Ray DiBugnara表示。“直到出现系统失效,军事部门在过去很长一段时间内都一直使用纯锡。目前,IC工作在μA级水平、工作电压很低,间隔只有10mil,所以,如果出现锡须,则它几乎不需要电流就能自动触发逻辑翻转,从而使系统瘫痪。
IC供应商并非对镍/钯/金涂镀技术熟视无睹,问题在于该工艺成本太高。除需修改工具外、还要进行工艺表征和认证工作。采用镍/钯/金镀层工艺并确保不同封装类型都符合要求,是一项代价高昂、资源密集的工作。
以TI的情况为例,当它在1989年,不得不替换其浸焊设备时,TI转而采用镍/钯/金涂敷工艺,TI的无铅项目经理Ken Farrington介绍。TI决定不再使用后镀工艺,将工艺转换到镍/钯/金的引脚框架(lead frame),以省去组件上的浸焊步骤,而且也加快了产品上市速度。
Farrington相信,许多芯片制造商采用哑光镀锡的部分原因是,他们将合同转包给装配线上使用浸焊工艺的第三方。对于表面贴装元件来说,从基于铅的浸焊工艺向镍/钯/金的引脚框架工艺的转变不是一件小事情,他说,“这并非一个简单的认证问题,许多半导体制造商尚不敢冒产品上市进度的风险。”
Farrington相信,随着时间的推移,包括军事和电信领域在内的需要高可靠性的战略用户将会鼓励这些半导体公司向镍/钯/金的镀金工艺转变。
图1:材料的RoHS门限级别。
图2:RoHS涉及所有IC封装材料。
缓解锡须问题的两项关键措施
IC制造商已采取了两项关键措施来减小锡须形成的可能。一项业界认可的工艺是——在镀后的24小时内,在150℃的温度下,进行历时1小时的后淬火烘焙处理。
另一项措施是增加锡层的厚度,一般是将厚度从7.6微米增加至10微米。许多IC供应商还仔细监测其电镀工艺,以确保锡槽内的杂质处在最低水平。虽然IC供应商一直仔细进行这样的工艺监控,但随着向纯锡镀层工艺的转变,这一问题变得更加重要,供应商表示。
“锡须是锡镀层固有的问题,“ADI的McLaughlin表示,“业内对其机理尚不完全了解,所以我们能做的也就是实施我们眼下进行的缓解战略。”
实施无铅球栅阵列封装时,出现另一个问题,球栅阵列原来一般都采用锡、银和铜的合金(Sn/Ag/Cu)焊球。“总体上说,业界不主张在有铅的回流工艺中,采用无铅球栅阵列,因为可能发生不好的焊球连接,”TI的Farrington介绍说,“这是因为,无铅焊球采用与线路板上的焊糊相同的材料(锡/银/铜),所以,为了实现适当的融化/回流,焊点和焊盘都需要高温回流工艺。这样,如一个无铅球栅阵列用于一块老的含铅PCB和低温回流处理工艺,则无铅球栅阵列上的焊点可能无法充分融化,从而导致焊接处接触不良。”
从实际操作性的角度出发,要完成球栅阵列的过渡转换,无论哪家供应商提供的IC,用户操作起来都更复杂——他们无法将无铅球栅阵列同时用于焊球和焊盘,Farrington表示,这样,用户必须对焊球和焊盘进行分别处理,使得工作量加倍。
担忧“锡须”的用户通常对基于哑光镀锡涂镀的引脚框架抱有同样的疑虑,Farrington表示,“它们更愿意在“含铅”的系统中采用“含铅”处理工艺,这就再一次使工作量加倍。”
需要支持260℃的回流温度是另一项挑战。无铅焊料的焊接温度一般比铅锡焊料的焊接温度高30℃。如果器件无法忍耐这样高的温度,就会出现断层、爆裂和材料击穿等问题。另外,已发现更高温度会降低湿度敏感度等级(MSL)。所以,必须注意:一款符合RoHS的器件并不意味着它一定就能忍受如此高的回流温度。
与大多芯片制造商一样,ADI考虑到了更高回流温度对封装造成的影响。研究的结果是,为将断层现象降至最小,ADI改变了其塑封及与芯片粘接的材料,McLaughlin表示。
供应商必须确保新的符合要求的封装仍能满足Jedec J-STD-020中对MSL等级的要求。虽然许多IC供应商已设法维持与等同的含铅元件相同的MSL等级,但某些产品因为MSL等级的下降,不得不对其进行重新分类。
“例如,若将MSL等级从1变为3,将要求制造商在出售产品前,对产品进行干包装并烘干,这同样增加了成本,”安森美半导体的无铅项目总监Marji Baumann表示。
Jedec指导方针
为帮助制造商降低由锡须所产生的风险,Jedec制定了一组指导方针——其中,器件供应商能用JESD22A121确定其镀锡层是否有可能出现锡须；而用J-STD 20可以重新确定器件的MSL等级。iNEMI锡须用户组也颁布了有关高可靠性产品中所用器件的无铅涂镀的指导建议。
还有一种倡导,即对用在无铅装配线上的器件和电路板进行更多的认证。
“当选取器件时,必须考虑两件事,”正在关注全球RoHS实施的Celestica公司运营总监Joe Scala表示,“该器件满足相关的全部约束吗？从你将要采用的产品装配工艺的角度来看,它又意味着什么呢？”
Scala表示,仅进行器件和独立焊接认证已无法满足要求。必须同时对板上多个器件的互连性进行评估的进行扩展的第二级认证,而不是仅仅评估一个器件的焊点与PCB的连接性能。
许多基于铅锡焊料的可靠性模型能用于现场性能预测,但锡/银/铜并没有类似的模型可资借鉴,Celestica的首席工程师Thilo Sack表示,“我们越来越多地了解了这些新焊料的特征,但仍有许多未解之谜。”
包括锡、锡/铋、锡/银、锡/银/铜等在内的镀层材料的增多,使问题更趋复杂；这意味着与先前仅需处理铅锡镀层的引脚框架相比,公司必须要应对多得多的互连问题。
遵循RoHS要求的最棘手问题之一是收集、储存和报告每一器件的详尽材料成分信息。这是公司应承担的说明书内容的一部分。对某些供应商来说,这是项非常痛苦且需手工处理的工作。
虽然RoHS条例并没确切规定,供应商要提供哪些材料来证明器件符合要求,但它却明确无误地指出下列物质是禁用的:铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯(PBB)和多溴联二苯醚(PBDE)。
过去,不要求供应商必须提供诸如此类的详尽器件信息,但供应商表示,该信息将很快同电气和机械规范一样,成为产品数据手册的一部分内容。因来自用户对材料声明数据的众多查询,许多领先的IC供应商已推出一种支持其用户通过网络查询工具自动获取该信息的系统。
包括ADI、TI和Actel在内的许多公司,已开通了包括器件搜索工具的无铅封装网站,这些网站不仅提供RoHS状况、产品和封装信息、高温数据和器件重量,还提供材料成分数据,单位为百万分之一。一些供应商还提供到材料声明文件(这些文件详述了同类材料的细分目录)以及资格认证文件的链接。
除欧盟在RoHS条例中规定禁用的6种物质之外,一些供应商还提供包括在JIG(Joint Industry Group)文件中列出的化合物的成分数据(许多OEM需向其日本客户通报这些内容)等材料成分信息。JIG包括A级(禁用物质)和B级(关注但并不禁用的物质)清单。
一些供应商也提供可循环利用材料内容以满足欧盟的WEEE指令中的要求。
掌握材料数据
“通常,OEM厂商需提交一份用在其产品内的全部材料的循环利用报告,所以,除了RoHS的6种禁用物质外,还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,它们还需跟踪任何可能的有害材料。”
“我们知道用了多少裸片粘贴材料、多少键合金线以及多少塑封材料；我们还知道引脚框架的重量、NiPaAu镀层的重量；然后,我们将这些数据放进搜索工具,”她说。
用户必须非常清楚每家供应商是如何定义其产品符合RoHS要求、无铅及绿色环保的。许多混淆是关于绿色环保定义的。通常这些包括,绿色封装符合RoHS指令,同时限制溴、氯和锑的使用。
另一个棘手的问题牵扯到全部供应链伙伴,包括各公司如何处理满足RoHS指令要求的无铅器件的零件号以及分开存放含铅及无铅器件等问题。
并没有一种业界公认的认定无铅器件的方法,所以供应商采用各自的标准。在某些场合,供应商采用相同的器件代码,只是在现有代码后添加一个后缀。而另外一些供应商则在封装上增加了满足RoHS要求的无铅符号,并在外包装容器上,贴上无铅标签。
“随着欧盟RoHS条例的实施,供应商的挑战在于把握用户需要:用户何时开始转变？如用户开始转变,我们要合理管理库存对这些用户提供支持,”Actel的营销经理Cindy Newell表示。
不过,各IC制造商都踌躇满志。许多公司表示,它们将继续寻找新的涂镀化学方法、监测锡须生成并继续对业内的可靠性测试手段进行跟踪。
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