陈春成(上海航天局802研究所 上海200090)
中图分类号:TQ134.11 文献标识码:A 文章编号:1000 4742(2006)05 0041 02
1 前言
随着环境污染对全球气候和环境的影响越来越明显,世界各国对产品的环保要求也越来越严,电子和电气设备行业面临最紧迫的挑战是来自欧洲市场的环境标准。
2003年1月23日欧盟通过了《关于在电子和电气设备中限制使用某种危险物》的指令,即ROHS指令和《关于报废电子电气设备》的指令,即WEEE指令,旨在大规模减少废物中存在的有毒物质。
这两个指令覆盖了十大类电子和电气产品,对整个世界产业链包括原材料、零配件、表面处理加工、组装及产品制造业带来了前所未有的巨大冲击。
WEEE指令从2005年8月13日起正式实施,要求电子和电气设备的生产者承担回收处理的责任。ROHS指令从2006年7月1日起正式实施,要求电子和电气设备中限制使用含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯(PBB)和多溴联苯醚(PBDE)等六种有害物质。
我国早在上世纪60年代末,电镀行业中就搞过无氰电镀,国内外的电镀工作者对此课题进行了许多研究,曾发表过不少论文。但迄今为止,真正能完全取代氰化物的只有无氰镀锌,其他的如无氰镀铜、无氰镀银、无氰镀金等工艺,虽然取得过一些进展,但尚未达到全面推广。
2005年12月22日国家发改委40号令明确立即淘汰含氰电镀工艺,但对电镀金、银、铜基合金及预镀铜打底工艺暂缓淘汰,不搞一刀切,“原则淘汰、特例暂时保留”,但淘汰氰化物电镀工艺是大势所趋,为了保护环境,电镀工作者责无旁贷。
2 电子电镀中清洁生产的途径
电子电镀中清洁生产的主要途径有:
(1)把好原材料选择及产品设计关,尽量不采用对环境有严重危害的原材料,如铅、汞、镉、六价铬、氰化物等。不生产对环境有严重危害的产品。
(2)改变生产工艺,更新生产设备,提高生产效率,减少污染物排放。
(3)加强生产管理,减少和杜绝跑、冒、滴、漏。
总之,清洁生产必需从产品设计开始,原材料选择和采购、生产工艺的优选、组织管理、污染控制、三废治理等全过程进行控制,并积极采用电镀新技术、新设备、新工艺。
3 电子电镀清洁生产中无害化措施
3.1 可焊性镀层采用无铅化电镀锡铅合金作为可焊性镀层在电子、电气工业中已使用了很长时间。由于铅及其化合物毒性大,严重污染环境,对人体危害极大。国内外电镀工作者从上世纪90年代后期都在积极研究和开发无氰、无铅的可焊性镀层,以取代电镀锡铅合金。曾试验过Sn Bi、Sn Ag、Sn Cu、Sn Zn合金和纯锡等电镀工艺,从镀液的稳定性,镀层的可焊性、耐裂性、晶须控制性、成本等进行了系统的研究和综合比较,认为电镀纯锡代替电镀Sn Pb是首选。除了在某些条件下会出现晶须现象外,其余各项性能均优良,可视作最有发展前途替代电镀Sn Pb的工艺。
纯锡镀层表面在某种条件下生长出来的一种细长形状的锡结晶物称为锡须。作为电子器件的可焊性镀层,锡须的存在会引起短路,造成电路故障,影响其可靠性。电镀工作者曾对锡须生长的因素进行试验研究,其中包括锡镀层内应力、外部机械应力、晶体结构(晶粒大小及形状)、镀层厚度、镀层和基体的类型以及温度和湿度等都会引发锡须生长。有关锡须的生长还没有形成严密而统一的机理,相关理论尚待进一步研究。
防止锡须生成的有效方法:
(1)在纯锡镀层和基体金属(铜)之间引入镍层(预镀镍)作为阻挡层,阻止铜向纯锡镀层中扩散,阻止了晶须的形成。
(2)将纯锡镀层进行退火处理或再流焊(软熔),消除应力抑制晶须生成。
(3)采用较厚的纯锡镀层,也可以降低锡须成长,一般厚度达8.5μm以上。(4)在电镀纯锡工艺中引入某些对锡须具有较好抑制能力的添加剂(如SYA无铅纯锡电镀添加剂、甲基磺酸体系镀液、哑光镀层)。
3.2 化学镀镍的无铅无镉化
化学镀镍是电子电镀中广泛采用的电镀工艺。Pb2+、Cd2+常被用作化学镀镍的稳定剂和光亮剂,虽然用量很低,但毒性仍高,对环境严重污染,对人体危害极大,是ROHS指令明确限制使用的有害物质。
化学镀镍稳定剂无铅化,可以改用某些硫的无机物或有机物,如硫代硫酸盐、硫脲等,也可以用某些含氧化合物,如IO-3、MoO2-4等,某些水溶性有机物,如马来酸作稳定剂。光亮剂可以改用某些有机物,如糖精、烯丙基磺酸钠、甲叉丁二酸等。
3.3 取代印刷电路板热浸Sn Pb合金的无铅工艺
热浸Sn Pb合金焊料是制造印刷电路板过程中的一道重要工序,也是PCB板生产过程中存在的主要铅污染源。
取代PCB板热浸Sn Pb合金热风整平工艺有以下几种工艺:
(1)化学镀镍/置换镀金化学镀镍 置换镀金也称化学镍金,是一种较好的取代PCB板热浸Sn Pb合金热风整平技术,适于焊接和铝线键合,多用于高档PCB板。因全程采用化学镀,线路不必事先导通即可施镀,镍层厚度要求约为5μm,磷的质量分数7%～9%,金层厚度只能在0.03～0.1μm之间,最大亦不超过0.15μm。
在化学Ni/Au层上进行熔焊时,由于金层很薄,在高温接触焊接的一瞬间,金迅速与锡形成“介面合金共化物”,如AuSn、AuSn2、AuSn3等而熔入锡中,所形成的焊点实际上是着落在镍层表面上,并形成良好的Ni Sn合金共化物Ni3Sn4,因而金层的作用只是为了保护镍面防止氧化。若金层太厚,则进入焊锡的金量增多,焊点变脆性,反而降低了焊接强度。
(2)置换镀锡
置换镀锡也称化学锡,是另一种取代热风整平的新工艺,适于表面贴装(SMT)。PCB板置换镀锡的优点是锡层厚度只需1μm左右,可以经受155°C高温下烘烤4h,高温高湿(80°C,相对湿度90%)试验后仍能保持优良的可焊性,而且不易长锡须。一般置换镀锡溶液由甲基磺酸和硫脲等组成,沉积速率0.067～0.13μm min,温度50～60°C。
