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焊接行业标准 IPC J-STD-006:电子产品的焊锡合金
  2020-09-28      218

作者:Jennie S. Hwang博士,H-TECHNOLOGIES集团CEO

全球电子行业采用无铅电子产品已经有近二十年了。在此期间,从事该行业的读者都认识到这个行业面临的变化和挑战,意识到要把铅(Pb)从电子产品中去除做起来没有那么简单。我认为,从一开始就要解决以下四个问题:

1、哪些焊锡合金能被广泛接受?

2、哪些合金可以视为有效合金?

3、哪些合金的性能在恶劣环境下可靠性仍然保持得很好?

4、上述三个问题是否会出现相互排斥?

从某种程度上讲,我在本专栏只是介绍了在修订J-STD-006过程中对《焊接行业标准J-STD-006》里的“对电子焊接应用中电子级焊锡合金与助焊剂和无助焊剂固体焊锡的要求”的里程碑、关键事件、活动和思考过程。

J-STD-006最初关注的重点是各种焊锡合金,而且人们认为J-STD-006只是个普通的标准,自然也就什么没有吸引人的地方。但是,焊料合金对电子产品至关重要,作为用来互相连接的材料,它对实现电、热和物理连接起决定作用,也对表面涂层的其他功能起作用。在这里,我要重复一下多年来我经常讲的两句话:

 “焊点的性能不会比焊锡合金自身固有的性能更好”,这句话概括了焊锡合金与用特定焊锡合金形成的焊点之间的不可分离性。

 “如果电子系统中的某个焊点失效,整个电子系统,无论设计得有多完美或者功能复杂性水平有多高,都会失效”,这句话概括了焊点在电子系统中的关键作用。

因此,J-STD-006在满足行业需求方面一直起着举足轻重的作用,特别是在焊锡合金从含铅到无铅的过渡期间和之后。

我担任标准协会的主席许多年,有幸亲自与焊锡合金的用户和供应商合作,以加强沟通和促进及时解决普遍存在的问题。我们的目标始终是在问题出现时找到最佳解决办法,在立场不同时达成共识。许多年来,在我们的交流和讨论中,无论是面对面的还是通过电波,我们的工作组始终遵循美国国家标准学会(ANSI)和IPC的标准化原则。

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这些原则包括标准应当如何说明面向可制造性设计(DFM)和面向环境保护设计(DFE)之间的关系、缩短上市时间、用简单易懂的语言表达、关注最终产品的性能,以及包括利用反馈系统了解使用情况和存在的问题,完成进一步的改进。这些原则还应是:包容而不是抑制创新、不把人拒之门外、不包含不能用数据证明的信息。标准应当包括规范信息,它不是告诉你如何制造某种东西。简而言之,要铭记在心的是,标准是规范,不是技术文件。

考虑到那些没有参加我们任务工作组的读者的利益,也是为了给目前和未来对电子行业感兴趣的参与者铺平未来的道路,在了解上面提到的这些原则的前提下,我在此与大家分享一些J-STD-006的重点,无论是回顾过去还是展望未来,这可能都会有所帮助。

已完成的工作

首先,我们要感谢任务小组的各位成员,多年来他们耐心、不懈地推动J-STD-006向前发展。J-STD-006已从J-STD-006已更新(改进)到J-STD- 006A(2001年5月),J-STD-006B(2006年1月)和J-STD- 006B修订1和2(2009年10月),此后的J-STD-006C(2013年7月)和J-STD 006C修订1(2017年10月)。从开始进入无铅过渡期到最近几年,走向无铅道路的主要里程碑包括:

•J-STD-006B是J-STD-006A的修订版。2006年1月发布的修订版J-STD-006B本质上是“引进”无铅合金(即J-STD-006B的表A-1)。

•2009年10月,在J-STD-006B中基础进行修订,增加了修订1和修订2,包括对表格做适当的注释。

•在2011年,我们课题组的工作重点是协调对合金的命名或命名体系。工作的方向是选择一个适用于我们这个行业的逻辑体系,我们考虑了几个选项。例如,在合金名称中金属元素的顺序可以根据学术/冶金规则(例如AgAuBi-CuInNiSbSn)或根据习惯和便利性(例如SnAgAuBiCuInNiSb)来命名。

•2013年7月诞生的J-STD-006C采用我们选择的命名体系,所有的合金名称都按照我们选择的命名体系进行转换。

•对J-STD-006C的修订1在2017年10月发布,它纳入新的合金清单,关于稀土元素的表述,扩大标称成分的控制范围。

标准中的焊锡合金包含物

在J-STD-006中对列入表中出的焊锡合金的要求是:

•应当公开焊锡合金中的所有元素,包括掺杂剂

•应当提供焊锡合金中所有元素的剂量,包括掺杂剂

•应当提供识别和确认元素存在与数量的分析方法

需要注意的是,这里的所有元素指的是在设计焊锡合金时所有有意引进的元素或者在制造合金的工艺中针对某种目的、用途或预期的功能、稀土元素或其他方式而引进的元素,(例如钠、铈、钕、锰、锗等),无论它们的剂量大小(例如88 wt %或0.01 wt %);这就是说,在某个合金构成中的元素只要不是根据设计引进来的都是杂质。

即将面临的挑战

在我们最近的几次会议上,我向任务组提出要解决的四个问题:

1、我们要怎样才能使J-STD-006文献对电子行业(即供应商、用户或任何相关方)更有用、更完整、信息更丰富、更实用?

2、应当增加哪个(些)方面的内容?

3、应当扩大哪个(些)方面的内容?

4、优先级怎么定?

对此,在我们任务小组会议中一个反复出现的问题是焊锡合金中的掺杂剂和杂质问题。随着越来越多新研制出来的合金中有意加入比重比较小的掺杂剂,J-STD-006承担提供指导的责任。

在掺杂剂与杂质方面的框架工作

焊锡合金杂质的更新换代仍然是一个挑战。区分掺杂剂和杂质需要另一层面的努力。我已提出在三个不同类别的元素中考虑掺杂剂与杂质的基本框架。

1、目前使用的合金中的杂质元素(表3-2)。

•例如:银(Ag)、镉(Cd)、铅(Pb)、铝(Al)、铜(Cu)、锡(Sn)、砷(As)、铁(Fe)、锌(Zn)、金(Au)、铟(In)、锑(Sb)、铋(Bi)、镍(Ni)

2、被视为额外的元素。

•例如磷(P)、硫(S)和其他元素

•值得注意的是,QQ-S-571F(联邦规范:焊锡,电子成品)限制磷为0.010 wt%,硫为0.005 wt%,但J-STD-006没有提到添加这两种元素,这两种元素可能会影响焊锡合金的性能和表现。

3、在目前的杂质表中列出的在合金中使用的掺杂剂。

•例如:镍,其他元素。

为进入开发J-STD-006的下一个阶段,必须解决这个问题。这将是个艰巨的任务,需要付出巨大的努力,并且会影响供应商、用户和整个行业。

演讲

黄博士在2020年2月在美国加利福利亚圣迭戈举办的2020年度IPC APEX博览会上发表了题为《电子产品的可靠性:金属间化合物的作用》的主题演讲。

Jennie S. Hwang博士是电子硬件制造和环保的无铅电子技术推广的先驱,长期致力于电子硬件制造与无铅制造推广开拓工作并做出巨大的供献,她既是一位出色的女性国际企业家,也是一位演讲者和业务与技术顾问。她获得的诸多奖励和荣誉,作为入选国际名人堂的技术界的著名女性,当选美国工程院院士,入选美国研究开发之星,她还获得基督教女青年会(YWCA)成就奖。她曾在洛克希德马丁公司、Sherwin Williams公司、SCM公司担任高管职务,并曾在国际电子材料公司担任CEO,目前她是H-Technologies集团公司的首席执行官,该公司向电子行业的其他公司提供业务、技术与制造方案。她是美国国防部陆军研究实验室评审委员会的主席,同时还在商务部出口委员会、美国国家材料与制造委员会、美国国家标准与技术研究院(NIST)评审委员会、陆军科学与技术委员会、多个国家的事务委员会/组委会、国际性组织领导层,以及在纽交所上市的财富500强企业、纽约市政和大学的董事会担任职务。她发表了500多篇关于电子制造的文章和几本书,她还是一位演讲者,在许多贸易、商业、教育和社会问题上发表署名文章。她接受的正规教育包括四个学位,以及在哈佛商学院学习行政管理和在哥伦比亚大学公司学习公司治理的经历。要了解更多信息,请访问www.JennieHwang.com。如需阅读专栏过往内容或者联系黄博士,点击这里。

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