无铅包装

（Lead-free Packaging）

　　摘要：受环保包装的影响，电子工业面临着向新型材料和新工艺方法转向的挑战，而且要求它们具有同样的可靠性、可制造性、价格和实用性。纯锡或马口铁产品将成为最终的选择。

　　随着人们越来越深地认识到各种工业材料对环境和健康的影响，材料加工处理和使用的方式也相应发生了很大的变化。在电子工业中，废除表面处理中的铅成分，以及铸造混合物时用作火焰延缓剂的溴化材料和含锑材料，已成为目前研究和讨论的主题，因为它们对人类的身体和环境都有害。

　　本文目的是：测定将纯锡和锡铜作为最终产品的成分是否合适，以及不含溴和锑成份的铸造混合物的可靠性能如何。此外，还评价了带有这些新材料的包装产品，核实较高的回流点温度（260℃）所产生的影响。最终的目标是获取对环境无害的包装产品，而且当回流温度由245℃升高到260℃时这些包装产品是否能维持同等甚至是更好的湿度敏感性。

　　对于成份制造商来说，用锡铅成分代替原铅处理应该在电镀处理过程中容易地控制，而且他们应具有同等的可焊性、表面性和机械性。锡和锡铜电镀品（两个都是粗糙的成品）是锡铅的适当替代品。

　　纯锡制品虽然在陶瓷制品和其他同类产品中得到了广泛的应用，却不能用于精细树脂设备，因为随着时间的增长设备中会不断的发生沉积现象，而生成须状物。

　　最近，一些电镀化学公司对于须状物现象有了最新的技术突破，他们研制出一种呈锥形/多边形结构的纯锡堆积物，颗粒尺寸较大，可以抑制这种须状物的产生。相对于锡银或锡铋的电镀或者采用铅框架预镀鈀来说，纯锡有更好的实用性和更低的价格，而且，它的应用比无铅加工所使用的其他各种合金更容易让人理解。锡铜产品就是通过在纯锡产品中加入微量的铜（少于百分之一）来解决触须问题的，铜资源充足而且价格比锡银、锡铋和钯低。然而，这两种合金成份的出现又需要提高回流过程的温度。因为无铅合金的熔化点更高：纯锡为232℃，锡铜为227℃。回流温度提高的最主要因素是使用了高温焊接料，例如锡-银-铜。

　　铸造成型是包装加工向无害材料转化的另一个领域。所采用的化合物必须通过UL Standard UL94-Vo 测试，需要有火焰阻滞的成份，为此经常使用卤化物和氧化锑。然而，这些材料燃烧时可能会产生剧毒的二氧(杂)芑和呋喃。经模具化合物制造商的研究表明，无卤素、无锑的替代品主要属于羟化物，其中可能性最大的是氢氧化铝和氢氧化镁，或者过渡金属镁氢氧化物（TMMHC）。在通过易燃性、热重分析（TGA）特性、翘曲和收缩性、玻璃化温度（Tg）、粘性和可靠性等模具特性测试后，才选择了这些成份作为延缓剂。

方法
　　评估的过程主要按一下程序进行：
　　准备好要测试的金属块和铅块
　　做好操作前的准备工作
　　用未经加工的混合物铸模
　　铸模后固化
　　使用纯锡或锡铜进行无铅电镀
　　加标记
　　修整并成型
　　触须测试

　　电镀过程的预处理（抽气和蚀刻）和后处理（中和）中使用的化学药品和条件均与锡铅电镀过程中相同。试验用纯锡的金属球做阳极，具有代表性的包装产品MQFP28×28, MQFP14×20，LQFP14×14和PLCC68L作为测试工具。在较高的回流温度下测试不同的包装材料，比较它们对湿度的敏感性。这些包装材料代表了不同的包装系列、尺寸和厚度。联苯化合物（如LQFP）具有较好的可靠性，因此用作较薄的包装，而OCN化合物（如MQFP和PLCC）用作较大的包装物。

　　在湿度敏感性测试的预处理阶段，回流温度的峰值是245℃。而无铅应用的最大区别是回流温度高于260℃。在曝光前后进行扫描，以检查该包装材料是否能承受在更高的热度下应用。

结果和讨论
　　1、电镀质量：通常在锡和锡铜样品上测试锡铅电镀质量，以判断这些可选材料的适宜性。经检测发现，纯锡的电镀产品在厚度、表面/机械质量（包括对触须的审查）和焊接性等方面与锡铅产品有很好的相似性。经测试其焊接性为Mil-Std-883D(蒸汽老化时间为8小时，树脂基焊接处理时间为5到10秒，锡铅焊接处理时间为5±0.5秒),但是老化条件更为严格：在155℃烘烤干燥48小时，蒸发16小时。离子污染物水平也是通过离子套色版来测量的，测试结果均低于允许的最大值2μg/in2，所测得的最大值仅为0.0023μg/in2。通过热传导性行迹分析可知，沉积物中的碳含量也很低，不足百分之0.01（规定的限度为百分之0.05）。通过相同的测试可得，锡铜电镀与锡铅电镀具有同样的质量和焊接性。锡铜电镀的离子污染物水平最大值为0.0022μg/in2，碳含量也不足百分之0.01。锡铅、纯锡、锡铜三者的表面电镀性能也是略有不同。

　　2、SEM/EDX分析：纯锡样品不仅可以在一般高速应用的通用密度下进行电镀，还可以在高密度下进行电镀，以此检查沉积图案会有哪些不同。我们希望密度越大得到的表面就越粗糙，但是我们发现表面图案并没有改变，也没发生燃烧。纯锡电镀一般在50℃的条件下存储18个月，而且在30倍的放大条件下观察没有发现触须增长。这种情况在铅材料的未受压（直的）和受压（弯曲的）部分均成立。

　　对电镀后的锡铜进行SEM（中层图像）和横截面分析，发现其结构与锡铅的相似。锡的横截面分析是沿着长度方向的，可以区分弯曲和平直部分；而锡铜的横截面分析则沿着宽度的方向。

　　3、电镀可加工性：对高速电镀生产线进行实际调查评估发现，纯锡的加工过程比锡铅和锡铜的合金系统更容易控制。与锡铅系统相比，纯锡系统只需要控制三个因素，而且由于是单一金属，也不存在合金混合物较难控制的问题。锡和核酸的含量可以很容易地通过滴定法测定，添加剂的浓度也可以通过UV可见光谱测定法来测定。同样可以肯定，这种特殊的纯锡成份很适合于高速的电镀过程，因此，将来不必再花费额外的资金来研究锡铅电镀了。

　　锡铜加工过程的化学控制也可以采用滴定和UV可见光谱测定法。然而，合金混合物却很难控制。电镀层中铜的含量一定要低于百分之一，而目前却没有合适的方法来进行成份测量，含锡铅和锡的镀层则往往可以通过X射线荧光发射器（XRF）来测量成份。这种方法不适合锡铜混合物，因为探测铜制品表面锡铜镀层中铜的含量是很难的，因为电镀层和主体框架中都含有铜。因此，测试时基本材料就会对测量结果有所影响。商家建议作一次破坏性测验，消溶所有的沉积物并通过微粒吸收光谱测定法来分析成份。

　　4、湿度敏感性：通过对包装产品进行测试，得出了一些结论。目前的焦点是在260℃的回流温度下进行3X预处理后，包装材料本身是否可以保持一定的完整性（例如在混合物和电镀层之间不会出现分层）。LQFP包装中的未加工联苯化合物可以承受住3级的预处理。而MQFP/PLCC中的未加工OCN成份则只可以承受4级的预处理。
结论

　　试验结果清楚的显示出：纯锡是无铅包装挑战的合理解决方案。在85℃/85%的相对湿度下可储存672小时，或在50℃/85%相对湿度下可储存6到18个月，且没有触须增长现象。现在还在进一步的测量其在温度周期，压力承受，湿度和高温储存等方面的可靠性，还要进一步研究如何获得更低的回流温度和更广泛的可靠性。