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Occam工艺:PCBA没有焊料,是否可以继续前行?
  2021-03-10      39
       焊料是一种奇妙的材料,用于在相对较低的温度下将金属部件连接在一起。据考证,大约4000年前英国发现了锡,首次使用其作为焊料,用于连接金属(主要用于装饰和一些简单的工具)。随着工业文明的不断发展,基本金属及简单合金越来越实用,焊料被广泛应用于水管连接、汽车散热器密封,以及彩色玻璃制造等领域。然而,在上个世纪的大部分时间里,其主要作用是连接电气和电子组成部分,从简单的连接导线到当今最先进的芯片和芯片封装。

对于其在电子产品中的大多数用途而言,选择的焊料合金是锡铅,包括Sn60/Pb40合金或Sn63/Pb37锡铅共晶合金。这两种合金是行业的主力军,其可加工性和可靠性都得到了认可,直到2006年欧盟以环保为由,强制推行无铅焊料为止。但其转变的推行过程考虑不周,导致执行力较差。
尽管无铅焊料解决方案的供应商声称技术已经很成熟,但实际效果并不好。在推出首批高温SAC无铅合金之后,行业迅速发现生产线和产品的脆弱性。至今为止行业已经花费了1000多亿美元来寻找经过实验测试能可靠代替锡铅合金的产品。
令人沮丧的是,强制推行无铅转化时,对人类健康造成风险的公开理由可能被过分夸大了。东南亚地区确实有人遭受到了电子焊料中铅的伤害,但其来源是投机商的卑鄙行为,在那里倾倒电子垃圾且不向当地人提供培训和安全工具。简而言之,无铅转化有点小题大做——电子产品焊料中的铅仅占每年铅总消耗量的0.5%。
正是在这种环境下,Occam工艺应运而生。简单说就是提出在生产电子组件过程不使用焊料的方法。14世纪的修士、哲学家和逻辑学家William of Occam的名言很有启发性——“如无必要,勿增实体”。
从那时起,人们已经分享了不用焊料制造电子组件的许多方法,基本思路是使元件端子朝上,构建电路层(图1),无需焊料,完成元器件的组装。焊料行业的一些人(不是全部)对此概念感到惊讶,他们显然对不需要焊料且减少了其收入的解决方案不感兴趣。

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由于不需要焊接,因此将铝用作基板是可行的,可以用聚合物代替电泳涂层的阳极氧化步骤也是可选的。两者均能提供非常均匀的表面涂层。需要注意:作为金属,铝的尺寸稳定性是高度可测的,它的热膨胀系数与铜的热膨胀系数接近,是极佳的导热体。
自从无铅产品推出以来已有12年了,完美的无铅焊料解决方案并未越来越完善。2003年,美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多矿业学院联合发布了《新无铅焊料焊料特性数据库》,对大约50种不同的无铅合金进行了鉴定和分析,在建议或正在使用的大量无铅焊料合金中尚未发现一种可靠的无铅焊料。再加上回流焊和焊膏使用的无数种不同的助焊剂(清洗助焊剂和免洗助焊剂),很明显,缩小至单个解决方案的范围对于工艺开发人员来说是一项艰巨的任务。到目前为止,行业还没有出现完美的解决方案。考虑到这一点,本研究认为,如果可以绕开焊料,在简化设计、降低成本、性能和可靠性方面都将获得显著的优势。下面就这四个方面进行简短的讨论。

设计简化
先进的电子产品设计一般都会采用到可用芯片,通常这些芯片只具有某一种功能,要使芯片发挥功能必须将一切连接起来,所有端子都必须接触并附着到载板的导体金属图形上。此外,未采用的端子会浪费基板面,成为布线障碍。当前模式的结果之一是通过多种不同的封装模式、外形、高度、引线间距和端子表面涂层来选择封装功能,这些选择(除了高度)通常都很困难,因为设计师和设计软件试图找到可能最好的布线方案,然后处理并解决早期不可避免影响信号完整性的电气电子问题。
Occam概念提出组件上的所有器件都有一个共同的基本引线间距,可根据需要减少间距以达到目标(图2)。这包括从分立器件到CPU。这种简单的规范可以极大地缓解布线难题,并大大减少重新设计的次数、布线层数以及组件的整体尺寸。两种采用相同数量元器件的设计方法,图3中显示的是两种结果对比。采用后一种设计方法时所有元器件的间距均为0.5 mm。

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       在电子产品制造的早期,几乎所有元器件的引线间距都为0.1英寸,因此基于栅格的布线很普遍。但是,对于连续几代的元器件端子,表面贴装技术遵循了“ 80%规则”,从而失去了之前设计师所享有的优势。如果他们改为选择基本栅格间距并减小栅格以达到目标,那么今天所有设计都会更加简单。关于该主题,今后的文章会进行更多的讨论,包括对基于栅格布线与基于形状布线的讨论。所有信息应提供对优势的基本认识和理解。

成本

       成本分析中需要考虑许多因素。主要因素是材料和人工,但是有许多隐性因素会导致成本增加(检查、测试、返工维修、机器维护等)。当制造过程消除焊料时,与它们相关的各种制程步骤被省略,耗材、工具和夹具也将随之取消。根据物料清单(BOM)的不同,成本节省可能达到5%~35%,甚至更高。当不使用焊料时,也就无需使用PCB,随着选项列表的极大扩展,所需的材料可能会更便宜,性能可能更高,组件可以做得更小,所需的层数更少(图2)。如果客观思考,把潜在的范围都考虑进去,那么可以节省大量的能源、人工等。

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性能

衡量性能的方式多种多样。潜在的性能提升源于一些有助于降低成本的相同因素。投资了数百万美元用于创建可承受与无铅焊接相关的高温材料。当不需要高温时,潜在可用材料的列表将显著扩展。

提高电子产品性能的一种方法是将元器件彼此放置得更近或不使用焊料,大多数电子组装指南对元器件放置都有严格的规定,以确保组装后可以更有效地清洗组件,并在无法承受组装过程高温的情况下为元器件的拆卸和更换留出空间。当不使用焊料时,元器件可以放置得更近。因此,信号传输时间可以大大减少,进而可减少在组件上传输信号所需的能量。

附带说明一下,在高引脚数BGA上看到的数百个I/O,其中多达80%专用于供电和接地,帮助将芯片信号从一侧传递到另一侧。同样,还有与设计效率和操作有关的潜在优势。当你完全熟悉该概念时,将获得很多优势。

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