物料管理_无铅元器件生产物料管理讲义

无铅生产物料管理 顾霭云 内容 一 元器件采购技术要求二 无铅元器件 PCB 焊膏的选择与评估三 表面组装元器件的运输和存储四 SMD潮湿敏感等级及去潮烘烤原则五 从有铅向无铅过度时期生产线管理材料兼容性 材料识别 元器件编号方式 材料控制自动化 一 元器件采购技术要求 稳定的原材料货源与质量是保证SMT质量的基础 供应链管理 1 采购控制 根据采购产品的重要性 将供方和采购产品分类 对供方要有一套选择 评定和控制的办法 采购合格产品 制定一套严格的进货检验和验证制度 SMT主要控制 元器件 工艺材料 PCB加工质量 模板加工质量 1 对采购过程的控制 a 根据所采购产品对产品实现过程及最终产品的影响大小来决定其控制的程度 可根据采购产品的重要性 将供方和采购产品分为A B C三类 对分包和生产外包等 外包过程 按采购条款控制 b 对供方提供产品的能力作评价 对供方要有一套选择 评定和控制的办法 向合格供方采购 2 对采购产品实施检验 验证 确保采购产品满足规定的要求 要制定一套严格的进货检验和验证制度 检验人员 设备和检验规程都到位 3 采购产品的存放 保管 发放均有一套严格的管理制度 做到帐 物 卡相符 库管人员受到培训 库房条件能保证存品的质量不至于受损 二 无铅元器件 PCB 焊膏的选择与评估 1 无铅元器件的评估2 无铅PCB的评估3 无铅焊膏的选择与评估 来料检测主要项目 1 无铅元器件的评估 元器件质量控制 a 尽量定点采购 要与元件厂签协议 必须满足可贴性 可焊性和可靠性的要求 b 如果分散采购 要建立入厂检验制度 抽测以下项目 电性能 外观 共面性 标识 封装尺寸 包装形式 可焊性 包括润湿性试验 抗金属分解试验 c 防静电措施 d 注意防潮保存 e 元器件的存放 保管 发放均有一套严格的管理制度 做到先进先出 帐 物 卡相符 库管人员受到培训 库房条件能保证元器件的质量不至于受损 a目视或用放大镜检查元器件的焊端或引脚表面是否氧化 有无污染物 b元器件的标称值 规格 型号 精度等应与产品工艺要求相符 cSOT SOIC的引脚不能变形 对引线间距为0 65mm以下的多引线器件QFP其引脚共面性应小于0 1mm 可通过贴装机光学检测 d要求清洗的产品 清洗后元器件的标记不脱落 且不影响元器件性能和可靠性 SMC SMD主要检测项目 可焊性 耐焊性 引脚共面性和使用性 加工车间可做以下外观检查 可焊性 耐焊性测试方法 检测的焊端 无铅波峰焊元件可焊性试验 无铅回流焊元件可焊性试验 无铅波峰焊元件耐焊接热试验 无铅回流焊元件耐焊接热试验 2 无铅PCB的评估 目前应用最多的PCB材料FR 4耐高温极限240 无铅工艺对PCB的要求 无铅工艺要求高玻璃化转变温度 g 要求低热膨胀系数CTE 要求 d 径向 纬向尺寸变化 稳定性好 高耐热性 T288 耐288 的高温剥离强度 不分层 PCB吸水率小 PCB吸潮也会造成焊接缺陷 g是聚合物特有的性能 是决定材料性能的临界温度 在SMT焊接过程中 焊接温度远远高于PCB基板的 g 造成PCB的热变形 严重时会损坏元器件 应适当选择 g较高的基材 无铅工艺要求高玻璃化转变温度 g PCB热应力会损坏元件 当焊接温度增加时 多层结构PCB的Z轴与XY方向的层压材料 玻璃纤维 以及Cu之间的CTE不匹配 将在Cu上产生很大的应力 严重时会造成金属化孔镀层断裂而失效 这是一个相当复杂的问题 因为它取决于很多变量 如PCB层数 厚度 层压材料 焊接曲线 以及Cu的分布 过孔的几何形状 如纵横比 等 克服多层板金属化孔断裂的措施 凹蚀工艺 电镀前在孔内侧除掉树脂 玻璃纤维 以增强金属化孔壁与多层板的结合力 凹蚀深度为13 20 m 凹蚀示意图 要求低热膨胀系数CTE 高耐热性 薄板还用FR 4 厚板采用FR 5 低成本 FR 5的成本比较高 FR 4 CEMn 表面和芯部由不同材料构成的刚性复合基CCL 简称CEM PCB吸潮也会造成焊接缺陷 PCB分层焊盘附着力降低阻焊膜起泡 脱落锡珠焊点润湿性差 等因此PCB受潮也需要去潮烘烤 PCB加工质量检测报告 PCB加工质量检测报告 续 aPCB的焊盘图形及尺寸 阻焊膜 丝网 导通孔的设置应符合SMT印制电路板设计要求 举例 检查焊盘间距是否合理 丝网是否印到焊盘上 导通孔是否做在焊盘上等 bPCB的外形尺寸应一致 PCB的外形尺寸 定位孔 基准标志等应满足生产线设备的要求 cPCB允许翘曲尺寸 波峰焊 0 8 1 再流焊 0 75 向上 凸面 最大0 2mm 50mm长度凸面最大0 5mm 整块PCB长度方向 向下 凹面 最大0 2mm 50mm长度凹面最大1 5mm 整块PCB长度方向 SMT加工厂对印制电路板 PCB 的检测项目 3 无铅焊膏的选择与评估 无铅焊膏的选择与评估 a 无铅焊膏与有铅焊膏一样 生产厂家 规格很多 即便是同一厂家 也有合金成分 颗粒度 黏度 免清洗 溶剂清洗 水清洗等方面的差别 主要根据电子产品来选择 例如尽量选择与元件焊端一致的合金成分 b 应多选择几家公司的焊膏做工艺试验 对印刷性 脱膜性 触变性 粘结性 润湿性以及焊点缺陷 残留物等做比较和评估 有条件的企业可对焊膏进行认证和测试 有高品质要求的产品必须对焊点做可靠性认证 c 由于润湿性差 因此无铅焊膏的管理比有铅更加严格 锡膏认证测试内容 锡粉粒径及形状助焊剂含有量黏度测试黏着指数测试印刷性测试铬酸银试验铜镜试验 铜板腐蚀试验卤素含有量试验锡球试验坍塌试验湿润性试验等 无铅焊膏物理特性的评估项目 无铅焊膏物理特性的评估项目 续 三 表面组装元器件的运输和存储 国际电工委员会IEC标准 不适合的运输和存储条件会导致元器件质量下降 引起可焊性差 造成各种焊接缺陷 运输条件应带包装运输 避免超温 超湿以及机械力的影响 最低温度 40 温度变化 在 40 30 范围内低压 30Kpa压力变化 6Kpa min运输时包装箱不可变形 并不应有直接作用在内部包装上的力 总运输时间 指不在受控的存储时间 尽可能短 最好 10天 运输条件取决于电子元器件的敏感性 优先选择受控的货舱空运 不建议海运 存储条件温度 40 30 相对湿度 10 75 总共存储时间 不应超过2年 从制造到用户使用 到用户手中至少有一年的使用期 存储期间不应打开最小包装单元 SPU SPU最好保持原始包装 不要存储在有害气体和有害电磁场在环境中 使用时遵循先到先用的原则 静电敏感元器件 SSD 运输 存储 使用要求 a SSD运输过程中不得掉落在地 不得任意脱离包装 b 存放SSD的库房相对湿度 30 40 RH c SSD存放过程中保持原包装 若须更换包装时 要使用具有防静电性能的容器 d 库房里 在放置SSD器件的位置上应贴有防静电专用标签 防静电警示标志 e 发放SSD器件时应用目测的方法 在SSD器件的原包装内清点数量 四 SMD潮湿敏感等级及去潮烘烤原则 1 SMD潮湿敏感等级 2 湿敏元件管理措施 3 去潮烘烤原则 4 去潮处理注意事项 1 SMD潮湿敏感等级 敏感性芯片拆封后置放环境条件拆封后必须使用的期限 标签上最低耐受时间 1级 30 90 RH无限期2级 30 60 RH1年2a级 30 60 RH4周3级 30 60 RH168小时4级 30 60 RH72小时5级 30 60 RH48小时5a级 30 60 RH24小时 2 湿敏元件管理措施 a 设计在明细表中应注明元件潮湿敏感度 b 工艺要对潮湿敏感元件做时间控制标签 c 对已受潮元件进行去潮处理 d 再流焊时缓慢升温 尽量降低峰值温度 让小元件等着大元件达到焊接条件 3 湿敏元件去潮烘烤原则 a领料时进行核对器件的潮湿敏感度等级 湿敏元件降级使用 根据温度每提高10 潮湿敏感元件 MSL 的敏感度升一级的推理 过去不被看作湿敏的元件 包括连接器和某些无源元件 也必须谨慎处理 包括PCB受潮处理 b对于有防潮要求的器件 检查是否受潮 开封后检查包装内附的湿度显示卡 当指示湿度 20 在23 5 时读取 说明器件已经受潮 对受潮器件进行去潮处理 去潮的方法可采用电热鼓风干燥箱 根据潮湿敏感度等级在125 1 下烘烤12 48h 4 去潮处理注意事项 a应把器件码放在耐高温 大于150 防静电塑料托盘中进行烘烤 b烘箱要确保接地良好 操作人员手腕带接地良好的防静电手镯 c操作过程中要轻拿轻放 注意保护器件的引脚 引脚不能有任何变形和损坏 对于有防潮要求器件的存放和使用 开封后的器件和经过烘烤处理的器件必须存放在相对湿度 20 的环境下 干燥箱或干燥塔 贴装时随取随用 开封后 在环境温度 30 相对湿度 60 的环境下72小时 4级 内完成贴装 当天没有贴完的器件 应存放在23 3 相对湿度 20 的环境下 五 无铅制程现场管理案例 1 无铅元件与有铅元件混淆 无铅波峰焊时混入有铅元件 造成焊料污染 必须换锡 有铅工艺无意遇到无铅元件 发生了严重的可靠性问题 无铅工艺没有对湿敏元件采取措施 造成损失 2 无铅焊膏与有铅元件焊膏混淆 3 有铅工艺无意遇到无铅PCB 4 无铅返修时应采用有铅焊料和助焊剂 六 从有铅向无铅过度时期生产线管理 1 过渡的特殊阶段的可靠性问题令人担忧2 必须考虑相容性 材料 工艺 设计 3 元器件 PCB 工艺材料的识别4 元器件编号方式5 材料管理自动化6 生产线设置验证7 可追溯性与材料清单 1 过渡的特殊阶段的可靠性问题令人担忧 当前正处在从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段 无铅材料 印制板 元器件 检测 等方面都没有标准 甚至可靠性的测试方法也没有标准的情况下 可靠性是非常让人们担忧的 现阶段的无铅工艺 特别是在国内处于比较混乱的阶段 由于有铅和无铅混用时 特别是当无铅焊端的元器件采用有铅焊料和有铅工艺时会发生严重的可靠性问题 有的SMT加工厂 虽然还没有启动无铅工艺 但是也遇到了无铅元器件 特别是BGA CSP和LLP 有的元件厂已经不生产有铅的器件了 因此采购不到有铅器件了 这种知道采购的器件是无铅的情况还不可怕 因为可以通过提高焊接温度 一般提高到230 235 就可以 还有一种措施可以采用无铅焊料和无铅工艺 因为目前过度阶段普遍情况是无铅焊料 无铅工艺和有铅焊端混用 其可靠性还是可以被接受的 但是最糟糕的是无意中遇到了无铅元器件 生产前没有发现 生产中还是采用有铅焊料和有铅工艺 结果非常糟糕 因为有铅焊料 有铅工艺和无铅焊端混用效果最差 2 必须考虑相容性 材料 工艺 设计 1 材料相容性焊料合金和助焊剂焊料和元器件焊料和PCB焊盘涂镀层 2 工艺相容性 再流焊 波峰焊和返修工艺 3 设计相容性 1 材料相容性 无铅焊料需较高的焊接温度 因此助焊剂应耐高温 还要考虑助焊剂和焊料合金间的化学反应 否则会影响焊膏的流变学特性 无铅焊膏中助焊剂的比例多 焊后残留物多 应考虑ICT测试针的穿透性 还应考虑助焊剂残留物电迁移方面影响 a 焊料合金和助焊剂间的相容性 无铅合金的助焊剂必须重新配制 b 焊料和元器件相容性 前向 后向 因此过度阶段务必注意制定严格的物料管理制度 千万不能把有铅 无铅的元器件和焊膏等材料混淆 无铅焊料 无铅工艺与有铅元件 向前 是兼容的 有铅焊料 有铅工艺与无铅焊端 向后 是不兼容的 再流焊工艺中SAC焊料与有铅焊端混用 其可靠性普遍认为是可以被接受的 但含铋焊料与有铅焊端混用是不相容的 Bi与Pb会形成93 的熔点 将严重影响可靠性 波峰焊工艺中无论采用SAC还是SC焊料 不允许使用有铅元件 因此锡锅中的含铅量必须予以监控 过渡阶段的无铅焊接会用到有铅元件 有铅焊料 有铅工艺和无铅焊端混用可靠性最差 特别是无铅BGA CSP是不能用于有铅工艺的 有铅焊料先熔 而无铅焊球不能完全熔化 使BGA CSP一侧原来的结构被破坏而造成失效 如果焊接前发现了无铅元件 首先要检查元件的最高承受温度和潮湿敏感度 进行去潮处理 然后在元件能够承受的温度下 将峰值温度提高到230 235 就可以 过渡阶段的有铅焊接会遇到无铅元件 c 焊料和PCB焊盘涂镀层相容性 1 用非铅金属或无铅焊料合金取代Sn Pb热风整平 HASL 2 Au Ni 化学镀Ni和浸镀金 ENIG 3 OSP Cu表面涂覆OSP4 ImmersionAg 浸银工艺 I Ag 5 ImmersionSn 浸锡工艺 I Sn 无铅PCB焊盘涂镀层主要有 1 用非铅金属或无铅焊料合金取代Sn Pb热风整平 HASL 可焊性好 但平整度较差 很难用于窄间距及小元件 2 化学镀Ni和浸镀金 ENIG 具有良好的可焊性 但存在 金脆 和 黑焊盘 现象 3 Cu表面涂覆OSP可焊性 导电性 平面性好 但保存期短 不能回流很多次 双面板回流工艺要注意 并需要应用适合无铅高温的OSP材料 4 浸银工艺 I Ag 是低成本的化学镀Ni和浸镀金 ENIG 替代工艺 但要精确控制I Ag的化学配方 厚度 表面平整度 以及银层内有机元素的分布等参数 5 浸锡工艺 I Sn I Sn比较便宜 新板的润湿性较好 但存贮一段时间后 或多次回流后润湿性下降快 甚至不能承受波峰焊前的一次再流焊 因此工艺性较差 d 无铅焊接温度和PCB基板材料的相容性 无铅PCB材料的 g CTE d T288 以及吸水率都要满足高温焊接的要求 否则会引起导通孔镀铜层的破裂 PCB分层 起泡等问题 要根据电子产品 以及无铅焊接条件的具体情况进行选择 例如CEM3 FR2 FR4 无卤素 柔性板等在无铅焊接工艺中都已经有了较多的应用 2 工艺相容性 再流焊 波峰焊和返修 a 双面回流焊工艺一般采用同一种焊膏 比较简单 b 回流焊与波峰焊混合工艺 一般要求双面都采用SAC焊料 如果波峰焊温度过高容易发生二次熔锡 c 返修时应采用与原始工艺相同的焊料 d 返修时应采用与原始工艺相同的助焊剂 否则容易与原始工艺的残留物起反应 在潮湿环境和一定电压下 导电体之间可能会发生电化学反应 引起表面绝缘电阻 SIR 下降 如有电迁移和枝状结晶生长的出现 将发生导线间短路 造成电迁移 漏电 的风险 3 设计相容性 提倡为环保设计 需要考虑WEEE在选材 制造 使用 回收成本等方面因素 但到目前为止还没有对无铅PCB焊盘设计提出特殊要求 没有标准 有为了减小焊接过程中PCB表面 t 应仔细考虑散热设计 例如均匀的元器件分布 铜箔分布 优化PCB板的布局 尽量使印制板上 t达到最小值 椭圆形焊盘可减少焊后焊盘露铜现象 3 元器件 PCB 工艺材料的识别 备料 首先备料要注意元器件的焊端材料是否无铅 如果是无铅元器件 一定要弄清楚是什么镀层材料 特别是BGA CSP和新型封装的器件 例如LLP等 有铅工艺也要注意 目前无铅标准还没有完善 因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多 例如日本的元件焊端镀Sn Bi层 如果焊料中含有Pb 当Pb含量 4wt 时 Bi会与Pb形成93 的低熔点 影响产品可靠性 因此镀Sn Bi的元件只能在无铅焊料中使用 标识和标签 第二步应给无铅元器件 PCB 工艺材料 包括焊膏 焊锡条 焊锡丝 助焊剂 还包括更改了开口尺寸的模板做无铅标识和标签 无铅标识 无铅元器件的标识 IPC2641 无铅元器件的标识 Pb Freelabelbeaminimumof75mmby50mm Note ItemsthatcontainPbshallnotusethislabelevenifexemptedbyRoHS Lead FreeMaterial 材料 Marking e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7 IdentificationofInterconnectMaterialDifferences2ndLevelConnection forpackagesandboards 无铅PCB与PCBA的标识 BOARD ASSEMBLYMARKING 无铅标签 元器件和材料的标签没有统一的行业标准 通常格式包括 元器件和材料的编号 批次编号 日期代码和数量 元器件和材料的标签信息一般以条形码或2 D矩阵格式等可读形式印刷 无铅产品的标签 在制造条形码后面加标记 PbF 识别 目前虽然IPC以及JESD97规定了识别无铅元器件 PCB 工艺材料的标记 符号和标签 但不同供应商的标签格式和内容差异较大 因此需要对生产线操作人员进行培训 提高识别能力 4 无铅元器件编号方式 编号方式1 在现有元器件编号上加前后