生产和装配经过无铅表面处理的线路板，可能需要进行UL测试。本文描述在实现需要UL认证的无铅产品时必须考虑的基料、表面处理和工艺变革。此外，还对如何规划、如何更快地通过UL认证审核过程提供了建议。

不断淘汰特定的危险物质，生产环保产品，这个全球趋势中蕴含着众多挑战。无铅制造要求从OEM(原始设备制造商)、EMS(电子制造服务)、装配商、PWB生产商到材料供应商都进行工艺变革。必须通过供应链进行传播，从而确定无铅和无溴是否是产品的适当方向。

由于UL PWB测试所需的检验时间，应尽早决定是否需要进行UL认证。由于流回温度和可能存在的交叉污染问题，含铅和无铅工艺存在较大差异。无溴材料可采用和传统的FR-4材料相同的加工工艺。但是，不为人知的交替式阻燃系统可能带来有关线路板装配易燃性特点的问题。因此，可能需要对经过修订的PWB制造和装配工艺进行评估。由于许多制造商发现支持两种PWB生产过程需要比较高的深产成本，没有计划将产品打入欧洲市场的制造商可能会选择对产品进行无铅加工的重新认证。

表面处理选择

50多年来，用于电子产品装配的焊料中一直含铅。在过去，焊料包含共熔锡铅63Sn/37Pb、60Sn/40Pb或62Sn/36Pb/2Ag。目前可以采用许多无铅替代方案，每一种材料必须对其优势和挑战进行评估。目前可以获得的无铅替代方案包括：

·浸没处理(金、银、锡)
·无电镀镍浸没金(ENIG)
·有机可焊性保护剂(OSP-苯并咪唑)
·锡膏合金(锡银铜(SAC))
·热空气焊锡均匀法(HASL无铅含量--锡铜和锡银)。

电子行业协会大多将锡膏合金推荐为标准无铅焊料。

加工--制造与装配

与锡铅焊料相比，无铅材料需要高出30^oC-45^oC的熔化温度(见表I)。许多制造商通过使用一种或多种温度标准来加工各类线路板装配，已经从较大的锡铅回流范围中获益。然而，由于零部件的最高暴露温度为250^oC(这个限制主要因为塑料变形)，无铅材料的加工范围要小得多。

表I--焊料熔点和相关的焊料容器温度

材料

无铅回流工艺中所需的较高熔化温度可能会引起PWB分层，会损害塑料接头、继电器、LED(发光二极管)、电解和陶瓷电容等零部件。无铅加工中的精确温度控制可以包括温度标准中的上升范围，因此，温度的上升速度不会损害对高温敏感的零部件。PWB变形、因温度急增而造成的裂缝以及热膨胀系数(CTE)不同的相邻材料之间的差异也是潜在问题。

必须达到最高温度和超过液相线的时间，同时又不会对组件或零部件过度加热。需要较长的预热期，以便达到较高温度，避免在焊料流回过程中对PWB造成热冲击。图1显示典型的无铅流回参数。

无铅焊接令辨别零部件、线路板处理和装配焊料越来越重要。在整个装配过程中让这些材料保持可辨性和辨别用于可靠再加工的最终组件同样重要。库存必须分开，以确保无铅零部件不会和含铅零部件混合，因为不同材料的熔点和制造金属合金的可能性都不尽相同，可能会引起线路板的过早故障。

基料选择

为了促进向无铅环境的转变，还必须对用来制造无铅组件的材料进行研究，从而确保热应力不会影响线路板和组件的性能和长期可靠性。为无铅工艺选择适当的PWB绝缘材料需要对材料进行评估，以确定材料是否具备良好的热能力，是否能够承受热应力的大幅度提高。无铅加工线路板不具备热稳定性的失效机制包括分层和洞孔的滚镀裂纹。

FR-4环氧基材料仍然是制造PWB最常用的材料。玻璃转化温度(Tg)较低、在130^oC - 140^oC之间的标准FR-4基底材料很难承受无铅装配的热应力。表II列出了根据为无铅兼容FR-4材料所建议的IPC4101A规格表需要对热稳定性和无铅加工进行考虑的额外特点。传统的热特点可以用来确定PWB材料的热稳定性及其对无铅加工的适宜性。这些属性包括材料的玻璃转换温度(Tg)、分解温度(Td)、热膨胀的Z轴系数(CTE)以及260^oC (T260)和288^oC (T288)的耐热性。

表II--无铅FR-4层压要求

层压要求

Z轴CTC

a. Alpha 1
b. Alpha 2c. 50^o
c. to 260^oC

a. 最高60 ppm/^oC
b. 最高300 ppm/^oC
c. 3.5%

耐热性

a. T260
b. T288

a. 最低30分钟
b. 最低10分钟

四溴双酚A(TBBPA)在RoHS下得到豁免，可以作为基质阻燃剂。然而，生产环保产品的趋势提高了市场对无卤素阻燃材料的兴趣。无卤素材料采用磷、氮和氧化铝材料。这些阻燃物质的阻燃机制不同于溴化材料，也意味着整个层压材料也将呈现不同表现。含溴阻燃剂在温度升高时释放出气态溴。磷和磷/氮混合阻燃剂在燃烧表面形成烧焦层。烧焦层产生对热量和气体转递的物理屏障。三羟化铝或三水合铝产生水蒸气，从而减少热传递。

无卤素材料可适用于无铅加工。大多数无卤素材料在UL94易燃性测试中呈现V-0表现。无卤素材料需要与卤化材料相同的热稳定性：中等的玻璃转换温度、较高的分解温度、在焊料温度下较低的总膨胀率以及良好的耐热性。目前不需要转换到无卤素材料，但随着WEEE指令的推出，这项变革可能无法避免。

UL要求--PWB与最终产品

UL PWB认证项目监控制造过程，包括最高温度、暴露时间和用来生产PWB的材料。随着线路板制造商开始使用其它表面处理和基础材料，这些材料将包括在线路板和制造过程描述中。目前，大多数过程描述列出的焊料为锡铅焊料。无铅焊料将通过材料组成加以描述，以便明确辨别焊料类型。装配焊接过程温度通过线路板焊料极限来进行描述。焊料极限代表装配过程中的最高温度和暴露时间。使用多种焊料极限来代表流回过程的温度标准。

如果无铅线路板制造和装配焊接过程包括较高的温度和/或较长的时间，则需要进行测试。如果加工温度提高，则易燃性、导体黏附、起泡和分层情况将需要评估。银浸和锡膏合金(SAC)不需要进行银迁移测试。IPC 3-11g任务小组所执行的研究测试表明，PCB的银浸表面处理并不比其它标准表面处理更容易迁移。此外，NEMI对SAC合金进行的研究可以证明SAC合金也不比标准表面处理更容易迁移。完成产品评估测试通常需要4周或12周，取决于为期10天的检验是否取得依从性测试结果。如果没有，则需要长达56天的检验。

图1--典型的无铅流回参数

如果制造商采取下列行动，无铅材料和加工更新PWB认证所需的时间可以减至最少：

1. 根据所需的测试检验时间，尽早向UL提交修改PWB认证的请求。

2. 使用目前的FUS程序描述页(表I和II、焊料耐力表和过程描述)作为模板，用来描述所建议的修改。

3. 要求过程温度和时间反映可能的最大暴露温度和时间，以便对公差范围和/或多个流回步骤进行更新后的过程描述。

4. 要求多个焊料极限反映装配流回过程。

5. 样本制备应由UL员工验证，以便将适当的样本提交测试。

6. 通知UL项目负责人制造商的预期装运时间，考虑到所需的测试检验时间。

总结

在电子制造和装配过程中，“焊料”一词不再只是指共熔锡铅合金(63Sn/37Pb)。PWB和装配行业正在将锡膏合金(SAC)推荐为标准的无铅焊料，以取代共熔锡铅合金，并且准备分配独特零部件标示，以便区分富铅产品和无铅产品。无铅产品所需的熔化温度较高，可能会损害线路板或线路板组件，因此，热稳定性是PWB无铅加工材料选择的重要因素。较高的无铅加工温度还要求特定的线路板性能特点(易燃性、分层和导体黏附)必须由UL进行重新评估。由于许多OEM必须在2005年符合WEEE指令，也考虑到UL PWB测试所涉及的检验时间，应尽早决定是否需要进行UL认证。实施所建议的行动将协助加快UL PWB重新评估过程。

撰稿：UL印刷电路技术总工程师Crystal Vanderpan