IC提供商采用无铅材料将如何影响您的设计

随着2006年6月1日的渐渐临近,“关于在电子电气设备禁止使用某些有害物质指令”,也就是欧盟的RoHS指令即将生效,设计工程师或他们的IC供应商开始采纳该指令。几乎所有的IC生产商都引入了新的无铅材料,设计师需要了解这些新材料以及新材料对其产品产生何影响。

RoHS指令的主要影响是采用无铅引线框的涂层、耐高温材料,也许还要引入新的“绿色”成型化合物。为满足无铅锡银铜(SnAgCu)焊料的回流焊要求,波峰回流焊的温度会从210℃上升到260℃,IC供应商必须采用满足新的波峰回流焊温度的封装材料。

几种独特的无铅加工已经被IC元件供应商所采用,其焊球和引线框封装所用的材料有所不同。

IC的焊球阵列封装

最初用于焊球阵列封装的无铅球冶材料是锡银铜(SnAgCu),有时这种特殊的合金在使用时会略有变化,但大多数情况下还是与所用的SnAgCu焊料基本一样。National Electronics Manufacturing Initiative(NEMI)建议将Sn3.6Ag0.6Cu合金用作回流焊焊料。多数IC提供商采用了了SnAgCu材料,其中Ag的含量在3.0%～4.0%之间。

向后兼容对焊球阵列封装来说是一个问题。以往的评估表明,标准的有铅回流焊环境(210～230℃)不能为SnAgCu焊球提供足够的回流焊温度。

要点是无铅焊球与有铅焊料涂层有足够的混合,特别是在温度范围的低端。业界的共识是,无铅焊球封装不应该用在非无铅焊料的操作中。对应于含锡铅的型号,IC提供商一般会给无铅型的焊球阵列封装提供不同的产品编号。

IC引线框封装

IC生产商有多种基于铜的金属引线框封装可供选择,但最后只采用了很少的几种。大多数IC提供商正在使用锡铅电镀工艺(在IC成型操作之后)。

对于那些后成型电镀的加工来说,显然可以用纯锡(Sn)来替换。锡铋(SnBi)是目前正在使用的后成型电镀的另一种选择。对于那些倾向于使用预电镀引线框的IC提供商来说,镍钯金(NiPdAu)是首选的加工材料。NiPdAu在20世纪90年代早期就被引入,用来提高在20世纪80年代末期开始使用的镍钯(NiPd)合金的性能。

虽然纯锡有着良好的焊接性能,但是晶须的生长是一个潜在的问题。大多数锡合金会长出被称为晶须的细丝,而且通常是在对焊节施加应力和高温的情况下。

到目前为止,业内就晶须问题是否会影响长期可靠性还有争论。可是,客户常常要求这些选用纯锡或锡合金的IC生产商提供测试数据。

“锡害”是另一个与纯锡镀层有关的潜在的可靠性问题。锡在温度低于13℃时会发生相变,镀锡会变成粉末状,引发可焊性和连续性问题。一些生产商建议在温度低于13℃时,避免长期存储镀锡的元器件。

有些IC生产商正在使用NiPdAu预电镀涂层,其好处是不会出现晶须生长的问题。终端用户也许不得不学习如何通过视觉外观区分使用后电镀元件与预电镀元件的焊节。

后电镀元件在整个引脚的外表面都裹上了一层焊料,这样焊料在回流焊过程中沿引脚侧向下流动。预电镀NiPdAu涂层引线框在引脚上没有焊料镀层,用来形成焊节的焊料是由用户加到印制板上去的。预电镀钯涂层的元件可满足业界常用的焊接标准。

一些生产商采用锡铋(SnBi)作为后成型镀层元件的加工材料。由于SnBi是可焊的,在原先的锡铅焊接工艺中要考虑铋的混合问题,因为锡、铅和铋的三重合金将在96℃时熔化。

在接近和达到熔化温度的应用中,这种三重合金会在焊节处汇集,会降低可靠性。大多数SnBi元件镀层含有不到5%的铋,这些铋不会形成三重合金,这是OEM