绿色电子——产品设计与制造

第1章 电子产品的环境发展 1
1.1 历史回顾 1
1.2 绿色设计开发与制造的竞争力 3
1.3 绿色设计和新产品的寿命周期 4
1.4 不恰当地采用绿色材料和工艺对设计带来的不利影响 5
1.5 应用质量工具和质量技术成功实现产品的绿色设计与制造 6
1.6 本书其余章节的设置 10

第2章 绿色电子产品的统计分析 13
2.1 样本和总体工艺均值和标准差的计算 13
2.1.1 其他统计工具：误差、样本规模以及点估计和区间估计 15
2.1.2 均值的置信区间估计 16
2.1.3 样本和总体的标准差 16
2.2 确定工艺能力 17
2.2.1 大规模生产的工艺能力 18
2.2.2 确定工艺能力的标准差 18
2.2.3 计算σ的方法举例 18
2.2.4 少量生产的工艺能力 19
2.3 新绿色部件原型的工艺能力 20
2.4 统计方法结论 22
2.5 实验设计 22
2.5.1 实验设计的定义和期望值 23
2.5.2 实验设计技术 23
2.5.3 实验设计分析工具集 29
2.5.4 在绿色材料和工艺选择的不同阶段应用实验设计 35
2.5.5 实验设计选择的结论 38
参考文献 38

第3章 绿色电子系统的可靠性 41
3.1 引言 41
3.1.1 什么是可靠性 41
3.1.2 可靠性的测度 41
3.1.3 威布尔分布的实例 42
3.1.4 绿色电子背景下的可靠性 45
3.2 无铅焊料互连 45
3.2.1 无铅焊料与锡/铅焊料基准 45
3.2.2 无铅焊料及其影响可靠性的特性 46
3.2.3 最受关注的试验环境 48
3.2.4 锡/铅合金和SAC合金的温度循环疲劳寿命行为 50
3.2.5 温度驻留时间和最大温度应力松弛或蠕变的影响 53
3.2.6 根据温度循环试验数据计算温度循环现场寿命 55
3.2.7 机械冲击与振动 56
3.2.8 其他方面的考虑：新的故障模式 58
3.3 返工和维修对可靠性的挑战 58
3.3.1 返工导致的损伤以及和印制电路板相关的故障模式 59
3.3.2 返工对元件造成的损伤 60
3.3.3 对维修的特殊考虑 62
3.4 无铅可焊镀层 63
3.4.1 纯锡镀层和锡晶须 63
3.4.2 锡/铋合金与锡/铅合金的相互作用 73
3.4.3 浸银的香槟空洞 74
3.5 印制电路板的可靠性问题 74
3.6 航空航天和高性能电子工业标准 76
3.6.1 航空和高性能电子工业领域已发布的标准文件 76
3.6.2 尚在开发的标准文件 77
3.7 连接件问题 78
3.7.1 连接件中镉的使用 78
3.7.2 连接件中锡的使用 78
3.8 结论 79
致谢 79
参考文献 79

第4章 环境适应性策略与实现 83
4.1 引言 83
4.2 需求描述 84
4.3 构建团队 85
4.4 策略的开发过程 86
4.5 策略的获批 87
4.6 启动开发过程 87
4.7 驱动项目 89
4.7.1 制造技术渠道 89
4.7.2 供应链渠道 92
4.7.3 产品设计(环境设计)渠道 93
4.7.4 市场与环境监管渠道 93
4.8 对132环境符合性策略的反应 94
4.9 结论 94
致谢 95
参考文献 95

第5章 按照绿色设计和制造的理念管理全球设计团队 97
5.1 利用全球化团队实施电子产品绿色设计简介 97
5.2 理解欧盟环境指令的适用范围 98
5.2.1 RoHS指令 98
5.2.2 受RoHS指令影响的电子产品种类 98
5.2.3 目前为RoHS指令豁免的电子产品种类 99
5.2.4 中国RoHS法规 99
5.2.5 EMC指令 99
5.2.6 WEEE 100
5.3 绿色产品的全球性立法 100
5.4 全球性RoHS执行组织 100
5.5 区域性RoHS执行团队 102
5.6 产品工业化团队 102
5.7 全球化团队之间的交流 104
5.8 理解投资组合中哪些产品需要重新设计 104
5.9 用于本地控制的项目目录 106
5.10 绿色过渡导致的元件废弃问题 107
5.11 质量与可靠性 108
5.12 无铅组装工艺 109
5.13 与本地和海外制造机构间的交流与资质鉴定 109
5.14 产品是否符合相应法规的信息决策 110
5.15 商标管理 111
5.16 数据和文件方面的要求 111
5.17 风险管理 112
5.18 结论 112
参考文献 113

第6章 向无铅组件的成功转变 115
6.1 引言 115
6.1.1 转变规划概述 115
6.1.2 无铅合金的选择 116
6.1.3 SAC305对装配工艺的影响 117
6.1.4 转变的目标 117
6.1.5 产品组合 118
6.1.6 无铅装配和焊剂的要求 118
6.1.7 1号试验机(SMT装配试验机) 121
6.1.8 2号试验机(插入式装配试验机) 121
6.1.9 无铅焊膏鉴定 122
6.1.10 免清洗焊膏实验室分析 123
6.1.11 评定的阶段划分 123
6.1.12 焊接接头的机械验证 125
6.1.13 锡/铅装配和无铅装配的可靠性比较 126
6.1.14 无铅波峰焊接焊剂评定 127
6.1.15 基准电子TV3 127
6.1.16 TURI TV3 128
6.1.17 TURI TV3概述 129
6.1.18 无铅试验的因子和等级 129
6.1.19 TRUI TV3元件 129
6.1.20 TURI TV3温度循环试验和HALT 129
6.1.21 TURI TV3试验结果与结论 130
6.1.22 TURI TV4 130
6.2 与设计团队和材料供应链的联系 131
6.2.1 印制电路板材料的设计 131
6.2.2 元件供应商准备方法 132
6.2.3 元件供应商调查结果 132
6.3 成功向无铅装配转变的推荐步骤(工艺及产品) 133
6.3.1 制造现场工艺评定 133
6.3.2 无铅装配产品的评定 136
6.3.3 TV1实验室分析(SMT工艺评定) 137
6.3.4 TV2实验室分析(通孔工艺评定) 139
6.4 含铅和无铅混合元件表面镀层管理及处理方法 139
6.4.1 材料工艺控制 140
6.4.2 可视化管理技术 140
6.4.3 尽职检验与XRF检验 141
6.4.4 材料搬运过程中的XRF检测 141
6.4.5 制造过程中的XRF检测 142
6.4.6 XRF检验结论 142
6.4.7 混装工艺 142
6.4.8 混装案例1：无铅元件使用锡/铅焊膏进行装配 143
6.4.9 混装案例2：锡/铅元件使用无铅焊膏进行装配 143
6.5 装配人员和检查人员的培训 144
6.5.1 RoHS指令培训要求 144
6.5.2 禁用物质培训实例 144
6.5.3 目视检验培训 145
6.5.4 材料工艺控制培训 145
6.5.5 制造工艺控制培训 145
6.5.6 技术支持部门的工艺培训 145
6.6 批量生产从锡/铅向无铅装配转变以及插入式和SMT返工的评定 146
6.6.1 概述 146
6.6.2 使用混装技术的装配过程和结果汇总 146
6.6.3 Maverick电路板的温度循环可靠性试验结果 147
6.6.4 1号试验板和2号试验板上进行插入式装配的强制返工 148
6.6.5 Maverick电路板通孔返工 150
6.6.6 BGA返工 152
6.6.7 Maverick电路板和1号、2号试验板试验结论 153
6.6.8 Alpha电路板上插入式元件的强制性返工 153
6.7 无铅制造的成本 154
6.7.1 原料和设备成本 155
6.7.2 培训及工艺改良费用 155
6.7.3 材料采购及与工艺有关的成本 155
6.7.4 基础设施及总体成本 156
6.8 WEEE、绿色回收及其他 156
致谢 157
参考文献 157

第7章 为在新产品中使用绿色材料和工艺制定总体规划(产品开发“绿色化”) 159
7.1 引言 159
7.2 绿色电子设计基础综述 159
7.2.1 功能性 159
7.2.2 成本、尺寸和重量 161
7.2.3 可制造性 162
7.2.4 可靠性 164
7.2.5 满足设计要求 165
7.3 向绿色产品转变 166
7.3.1 性能与特点 166
7.3.2 产品使用 167
7.3.3 向无六价铬产品的转变 167
7.4 无铅和六价铬的自由替代规格 168
7.5 新绿色产品设计的不利后果举例 169
7.5.1 湿气影响费用举例 169
7.5.2 腐蚀与用三价铬替代六价铬举例 171
7.6 绿色布线和敷设线缆的计划与实施 172
7.7 绿色要求的例外情况 172
7.8 结论 172
致谢 173
参考文献 173

第8章 绿色印制线路板的制造 175
8.1 引言 175
8.1.1 驱动印制线路板制造的环境问题 175
8.1.2 北美的环保法规 175
8.2 装配工艺的影响 177
8.2.1 适用于包括无卤材料在内的更高温度的材料 177
8.2.2 符合RoHS指令的电路板镀层 178
8.3 电子设计的影响 179
8.3.1 绿色材料的选择与测试 179
8.3.2 绿色制造工艺 180
8.4 材料的筛选 182
8.4.1 绿色材料的可加工性能 182
8.4.2 与装配工艺的兼容性 182
8.4.3 绿色材料及工艺的质量与可靠性 183
8.5 应谨慎处理的事项 189
8.5.1 含铅电路板与无铅电路板的设计控制 189
8.5.2 工艺控制：污染物与湿度管理 191
8.5.3 供应商控制 192
8.5.4 记录与材料证明文件 193
8.6 绿色基板的经济学问题 193
8.7 结论 193
致谢 194
参考文献 194

第9章 集成电路元件的环保镀层 195
9.1 引言 195
9.2 背景 195
9.3 铅框架镀层的发展历程 195
9.3.1 金(Au)镀层 195
9.3.2 整体镀银 196
9.3.3 点式镀银 196
9.3.4 镍/钯(NiPd)及镍/钯/金(NiPdAu)镀层 196
9.4 元件镀层要求 197
9.5 用于集成电路元件的锡基镀层 198
9.5.1 引线框架制造商处的电镀工艺流程图 199
9.5.2 A/T电镀工艺流程图 200
9.6 集成电路预镀层元件镀层 202
9.7 集成电路预镀层与点式镀银/雾锡电镀的对比 204
9.8 锡晶须 205
9.9 湿度敏感等级 206
9.10 结论 207
致谢 207
参考文献 208

第10章 绿色电子产品中纳米技术的机遇 209
10.1 引言 209
10.2 纳米技术对绿色电子的重要性 210
10.3 工厂中使用纳米电子的时间和地点 210
10.4 纳米材料的制造 212
10.5 在电子产品中的应用领域 213
10.5.1 半导体 213
10.5.2 电子封装 213
10.5.3 电路板和衬底 213
10.5.4 无源元件 214
10.5.5 显示器 214
10.5.6 装置屏蔽 215
10.5.7 能量传送 215
10.6 纳米应用实例 215
10.6.1 导电性黏结剂 215
10.6.2 纳米电子对诸如印制电子等加成工艺的作用 216
10.6.3 纳米电子作为低温板装置和热介质的作用 220
10.7 结论 224
致谢 225
参考文献 225

插图：


第1章电子产品的环境发展
1.2 绿色设计开发与制造的竞争力
启动绿色产品开发战略最困难的环节之一是从何处着手：关于产品开发的绿色知识库在组织和设计或工艺团队内分布广泛且并非随时可用，供应商在绿色方法和工艺方面的经验程度也存在差异。若干种可选方法均可用来将相关知识引入公司：对组织机构内的人员进行培训，聘用来自其他组织或对手公司的资深绿色专家，或接受咨询服务。每一方案都各具优缺点。
内在的绿色竞争力的发展需要较长的时间，而且对人员的选择也非常重要。绿色竞争力包含两方面的构成要素：一是规范方面的知识，包括当地的、国家的或国际性规范；二是工艺步骤、化学，以及评估有害物质及其建议绿色替代物特性所需的分析工具方面的知识。个别较大的公司已选择至少有两种技能的职员——一种是单独与相应机构进行调整和协调的，另一种是具备材料和化学方面专业知识的。前者可能是工艺、规范或质量部门的个人，而后者可能是一位材料和复杂分析方法方面的资深专家。多数公司很有可能会选择兼具上述两种技能的个人。然而，这种兼具双重技能的人在形成自己关于绿色可选方案的观点时，还将依赖于外部专家以及他们的观点。此人可能会在行业竞争趋势的需求下举步维艰。此外，他或她在执行绿色可选方案时进行大量试验和分析的能力可能也是受限的。在多数情况下，当公司以上述两项技能模式开始绿色产品开发时，两种人之一最终将离开公司，或在公司内部担任另一职位。