摘 要

电子产品中禁止使用铅的全球行动向整个电子产品供应链的各企业提出了挑战。座落在Lowell的麻省理工大学将麻省理工大学/新英格兰的企业聚集到一起，合作制造和测试无铅印制线路板（PWB）。2001年公布的第一组试验的结果说明使用无铅材料，实现了零缺陷焊接。PWB经热循环后，实施视觉检测，并对引线进行拉伸测试，进而实施可靠性分析。并将这些PWB与含铅焊接的PWB进行适当的比较。

2002年规划出连续的试验设计，于2003年选择了第二组PWB测试板，并进行了测试。在五种PWB表面涂层上，在自然气氛或在氮气氛下，对涂覆有两种涂料的四类组件，对基于SnAgCu合金的三种无铅焊膏进行了再流。实施了视觉检测和拉伸测试，并在APEX、SMTI和IEEE会议上公布了测试结果。本文概述了测试结果，并进一步介绍了无铅PWB批量制造的研究规划和EPA主持的三个阶段测试。

关键词：无铅； 视觉检测； 可靠性测试； 温度循环； 实验设计

前言

2003年1月，欧盟规定了有关电子电气设备废物（WEEE）指令2002/96/EC和电子电气设备中禁止使用某些有毒有害物质（RoHS）2002/95/EC。这两个指令是掀起全球向无铅电子产品行动的驱动力。在2006年7月后，RoHS禁止含铅的产品销往EU，除非这些物质的使用得到豁免。

麻省理工大学无铅联合项目

麻省理工大学降低使用有毒有害物质条款（TURA）规划以帮助各企业减少或取消有毒有害物质的使用和减少产生有毒有害物质的废物量作为使命。

TURA还有一个目标，即：“支持、保护、促进麻省大大小小企业取得有竞争性进步，同时，推进减少和管理有毒有害物质使用的向前发展。”当我们在帮助企业满足国际上对电子产品中限制使用含铅材料时，这些目标是一致的。

TURI（减少有毒有害物质协会）和UMI（UMass）是联合体的主要倡导人对创新技术提供培训、信息和指导性研究。1999年，TURI开始对UMass Lowell进行替代无铅焊接工艺的研究工作表示支持。

2000年，麻省的无铅研究联合体成立，该机构至少由电子供应链各部门的一个代表组成。联合体成员投入了大量的时间、材料、设施、资金，并派遣了专家参与，共同开发和实施测试规划。列出的联合体成员及其公司为本文的共同作者。2004年，从英格兰地区又新增加了其它许多公司，由此联合体更名为新英格兰无铅联合体。

除了支持联合体外，TURI定期地将电子供应链的各公司召集到一起交流信息、对最新的技术和常规开发项目进行沟通，并报道联合体的研究规划（论文和文献已汇总，见TURI网络：www.turi.org）

第二阶段，实验设计，包括选择因素和等级

联合体成员根据其经验，收集和获得的资源及材料而选择了实验矩阵设计。选择的因素和等级如下：
1.PWB涂层
a.裸铜上的阻焊膜，采用热风焊料整平技术（SMOBC/HASL）
b.有机可焊性保护涂层（OSP）
c.化学镀镍浸金（ENIG）
d.电镀非纯锡（Sn）
e.浸银（Ag）
2.回流气氛
a.自然气氛
b.氮气氛（由Air Products和Chemicals提供氮气，氧含量为50ppm）
3.焊膏，全部使用三家供货商（A、B和C）提供的95.5Sn-3.8 Ag-0.7Cu（NEMI建议），全部含有免清洗助焊剂。根据各供货商所述，助焊剂配方都是专利产品。
4.组件引线涂层
a.非纯锡，镀锡，锡/银/铜，镍/钯/金（NiPdAu），镍/金。
b.用于BGA的锡/银/铜焊料球
5.Sn-Pb共晶焊料PWB，通过焊接处理来控制PWB。

第二阶段，测试媒介物和实验规划
测试媒介物是一块6〃×9〃的FR4板子，见拉伸测试夹具上所示（图1）。组装和测试的PWB总计为100块。PWB可分为下面几组：

1. 60块PWB—2组，每组30块板，铠装成完全适合于工厂实验，5种涂层、3家焊料供货商的焊料，2种焊接气氛（5×3×2=30）。表1所列为完全适用于工厂的实验。
2. 10块PWB—2组，每组5块，用供货商B提供的含铅焊料进行焊接，作为基线与无铅焊料的焊接进行比较。
3. 8块PWB—2组，每组4块，用于测试较高浓度氧含量（50ppm与5000ppm氧对比）。
4. 20块PWB—2组，每组10块，将含铅和无铅组件与含铅和无铅焊料的比较结果进行比较，使用5种PWB涂层，使用供货商B的焊料在自然气氛下焊接。对这一组板子进行演示，看是否可用含铅组件取代无铅组件AT WILL，在各种焊接条件下。这是衡量是否反向兼容的尺度（组件的兼容性的正向兼容和反向相容）

第二阶段，组件

受控的PWB都是用涂覆有锡/铅成分涂层的器件制成的，而且实验测试板是用涂覆有无铅涂层的组件组装的。无铅无源芯片是镀锡的，而且对无铅集成电路器件也进行了镀覆，有一些是使用非纯锡、NiPdAu和镍/金。BGA组件采用了锡/银/铜焊料球。组件是由联合体成员公司捐赠的。

每块PWB（见图1所示）包括有：
1.标准的SMT电阻和电容组件。（401和402类型）。
2.每一组的导通孔为0.030和0.014。
3.3个QFP 176高密度互连（HDI）封装，一个有菊花链端子。
4.2个BGA类型，35和45mm。
5.3个SOIC的20个封装，一个有菊花链端子。
6.3个特殊的IC，用于无线应用。在Andover,MA的Schneider Electric公司，所有的组件都是通过焊接到测试PWB上的，使用生产设备。