圖2 需要轉(zhuǎn)向新視點(diǎn)此前電子廠商一直在為無(wú)鉛化等有害物質(zhì)對(duì)策而奔忙。如今,絕大多數(shù)企業(yè)都已采取無(wú)鉛化等有害物質(zhì)對(duì)策。今后,為防止全球變暖而采取各種節(jié)能減排措施,將變得更加重要。焊錫技術(shù)的重點(diǎn)也應(yīng)該從無(wú)鉛化轉(zhuǎn)向全球變暖對(duì)策。 |
在考慮與焊錫相關(guān)的全球變暖對(duì)策,即焊接工序的具體節(jié)能減排措施之前,讓我們先回顧一下焊錫無(wú)鉛化的發(fā)展歷程。
目前作為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)鉛焊錫得到廣泛應(yīng)用的Sn-3Ag-0.5Cu,是2000年電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(JEITA)指定推薦的,從2001年前后起已被多數(shù)設(shè)備廠商正式采用。自采用之初起,人們就一直擔(dān)心,其熔融溫度高于Sn-Pb共晶焊錫會(huì)帶來(lái)諸多弊端。一些人曾為能耗增加而擔(dān)憂,但大多數(shù)人擔(dān)心的卻是電子部件能否耐熱這一技術(shù)課題。
即便如此,JEITA仍將Sn-3Ag-0.5Cu指定為推薦無(wú)鉛焊錫,并得到了廣泛應(yīng)用,原因是優(yōu)先考慮了“可靠性”。作為無(wú)鉛焊錫的候選,除Sn-Ag-Cu類外,還包括Sn-Cu類及Sn-Zn類等。除熔融溫度外,這些候選在成本及焊接特性等方面均存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)(圖3)。
其中,Sn-3Ag-0.5Cu(圖4)注2)的熔融溫度較高,但焊接特性最為出色,“無(wú)鉛化時(shí)導(dǎo)致的焊接可靠性降低問(wèn)題”較少。對(duì)焊接技術(shù)十分熟悉的大阪大學(xué)教授、產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所產(chǎn)業(yè)科學(xué)納米技術(shù)中心主任菅沼克昭表示,“在無(wú)鉛化第一階段,Sn-3Ag-0.5Cu不失為一種妥當(dāng)?shù)倪x擇”。
注2)可靠性評(píng)價(jià)企業(yè)ESPEC TEST CENTER表示,“此前一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)無(wú)鉛焊錫自身所引發(fā)的問(wèn)題”(該公司董事兼橫濱R&D中心主任高橋邦明)。“發(fā)生問(wèn)題時(shí),原因可能是沒(méi)有根據(jù)無(wú)鉛焊錫的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)”(高橋)。
Ag價(jià)格攀升導(dǎo)致無(wú)鉛焊錫發(fā)展偏離路線圖
JEITA最初計(jì)劃的無(wú)鉛焊錫路線圖為:“首先通過(guò)焊接可靠性較高的Sn-3Ag-0.5Cu渡過(guò)無(wú)鉛化難關(guān),然后過(guò)渡至熔點(diǎn)較低的Sn-Zn類‘低溫焊錫’”。
但是,從現(xiàn)狀來(lái)看,無(wú)鉛焊錫的發(fā)展已開始偏離這一藍(lán)圖。其原因是,在封裝現(xiàn)場(chǎng),對(duì)低溫焊錫的技術(shù)需求降低。多家電子廠商的技術(shù)人員這樣說(shuō):“與無(wú)鉛化之初相比,部件的耐熱性已逐步提高,焊接設(shè)備的性能也獲得改善,因此,溶融溫度高不再成為問(wèn)題。而且,各企業(yè)投資更新的設(shè)備,不可能立即改為需要花費(fèi)新成本及工時(shí)的其他類型的無(wú)鉛焊錫”。在封裝現(xiàn)場(chǎng),更是把Sn-Ag-Cu類視為“理想選擇”。如今,部件耐熱性等技術(shù)課題日益減少,封裝現(xiàn)場(chǎng)所關(guān)心的問(wèn)題已經(jīng)不是如何降低熔融溫度,而是如何降低成本(圖5)。
Sn-3Ag-0.5Cu原本就比Sn-Pb共晶焊錫的材料價(jià)格要高,這幾年隨著銀(Ag)的價(jià)格不斷攀升,與Sn-Pb共晶焊錫的價(jià)格差也日益擴(kuò)大。因此,Sn-1Ag-0.7Cu及Sn-0.3Ag-0.7Cu等,含銀量低于Sn-3Ag-0.5Cu的“低銀焊錫”逐漸被定位為第二代無(wú)鉛焊錫,目前多家設(shè)備廠商都在考慮采用這些技術(shù) 注2)。
需要從宏觀考慮對(duì)策
這些低銀焊錫的熔融溫度其實(shí)比Sn-3Ag-0.5Cu更高。作為當(dāng)前的對(duì)策,降低成本當(dāng)然必不可少,但如果對(duì)全球變暖對(duì)策產(chǎn)生負(fù)面影響的話,就不能稱之為最佳選擇。立足長(zhǎng)遠(yuǎn)尋求解決方案而非采取權(quán)宜之計(jì),同樣十分重要。
專門研究環(huán)境科學(xué)的日本東京大學(xué)名譽(yù)教授、聯(lián)合國(guó)大學(xué)名譽(yù)副校長(zhǎng)安井至發(fā)表了某種意義上略顯偏激的看法,他認(rèn)為繼續(xù)使用Sn-Pb共晶焊錫才是上策。安井表示,“原本的環(huán)境對(duì)策關(guān)鍵,是希望將總體環(huán)境的污染變得最小化。焊錫無(wú)鉛化本身并不能減少多少環(huán)境污染負(fù)荷。倒不如說(shuō),由于采用熔融溫度較高的無(wú)鉛焊錫,環(huán)境污染的總體負(fù)荷反而有可能增大。我個(gè)人的看法是,RoHS指令早晚應(yīng)該取消”注3)。
注3)比如,對(duì)鉛的毒性風(fēng)險(xiǎn)以及無(wú)鉛化導(dǎo)致的全球變暖風(fēng)險(xiǎn)等不同環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行定量比較的研究,目前還沒(méi)有取得明顯進(jìn)展。“指標(biāo)完全不同,所以比較起來(lái)非常困難。不過(guò),今后應(yīng)該致力于這方面的評(píng)價(jià)”(某研究調(diào)查公司)。
不只是安井,許多專家及技術(shù)人員都認(rèn)為,使總體環(huán)境污染最小化的觀點(diǎn)是正確的。正如焊錫無(wú)鉛化一樣,優(yōu)先采取某些對(duì)策會(huì)對(duì)其他部分產(chǎn)生負(fù)面影響,電子廠商今后在各種環(huán)保對(duì)策中都有可能面臨這種如同“打地鼠(Mogura Shock)”游戲般的此漲彼消現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)總體環(huán)境污染最小化目的,應(yīng)該以何種優(yōu)先順序、以何種平衡的比率采取有害物質(zhì)對(duì)策、全球變暖對(duì)策及節(jié)約資源對(duì)策等各項(xiàng)環(huán)保措施,在這方面未雨綢繆、集思廣益,將變得更為重要(圖6)。
但是為了節(jié)能而繼續(xù)使用Sn-Pb共晶焊錫的做法是不現(xiàn)實(shí)的。其原因是,既然RoHS指令這一法規(guī)已經(jīng)出臺(tái),就必須致力于無(wú)鉛化。電子廠商真正應(yīng)該推進(jìn)的目標(biāo)是,在無(wú)鉛化前提下,實(shí)現(xiàn)焊接工序的節(jié)能化。
為此,可采取的措施大致分為兩種。①采用低溫焊接材料;②改進(jìn)包括設(shè)備等在內(nèi)的外延技術(shù)(圖7)。第①項(xiàng)的目的是讓升高了的封裝溫度再次降低,屬于根本對(duì)策,但目前仍然存在許多技術(shù)問(wèn)題,所以需要較長(zhǎng)的時(shí)間開發(fā)完善 注4)。在等待第①項(xiàng)措施完善的現(xiàn)階段,②是一種非常有效的方法。
圖7 可采取兩種方法過(guò)渡到無(wú)鉛焊錫之后,制造產(chǎn)品時(shí)使用的能耗增加,為了降低能耗,可采取的方法大致分為兩種。①使用低溫接合材料;②改進(jìn)包括設(shè)備等在內(nèi)的外圍技術(shù)。另外,還有人建議采用Sn-Pb共晶焊錫技術(shù)。要采用這些方法,仍有很多問(wèn)題需要解決。 |
注4)低溫接合技術(shù)的開發(fā)不只是為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能化,將來(lái)還有望成為“有機(jī)電子時(shí)代”所需要的候選接合技術(shù)。柔性產(chǎn)品需要使用耐熱性較差的樹脂底板等,因此低溫條件下的封裝必不可少。
存在難題的Sn-Zn類焊錫
首先,作為第①項(xiàng)措施中的低溫焊接材料,會(huì)使人想到最初JEITA計(jì)劃中定位為第二代無(wú)鉛焊錫的Sn-Zn類等低溫焊錫。Sn-Zn類焊錫的熔融溫度比較低,僅為+198℃左右,而且使用鋅(Zn)這種廉價(jià)材料,因此,在典型的無(wú)鉛焊錫組成中,具有成本最低這一優(yōu)點(diǎn)(圖5b)。難怪最初人們將其視為無(wú)鉛焊錫的“最佳選擇”。
但是,Sn-Zn類焊錫的附著性較差,而且鋅是一種容易在空氣中氧化的金屬,因此很難任意使用,未能推廣。以前NEC曾將其全面用于個(gè)人電腦,但“從2006年中期起,除部分機(jī)型外,都改成了Sn-Ag-Cu類焊錫”(該公司)注5)。
注5)NEC就該原因表示,“電子部件的耐熱性提高了”。不過(guò),據(jù)筆者推測(cè),改為成本較高的Sn-Ag-Cu類焊錫的原因還在于應(yīng)用等方面存在一些問(wèn)題。
注6)并不是所有的積層陶瓷電容器都會(huì)發(fā)生這種問(wèn)題,會(huì)發(fā)生和不會(huì)發(fā)生的電容器均存在。“積層陶瓷電容器就像需要大量生產(chǎn)的設(shè)備產(chǎn)業(yè)一樣。需要進(jìn)行大規(guī)模投資,所以目前的現(xiàn)狀是,即使電容器發(fā)生問(wèn)題,也不可能立即修改性能指標(biāo)”(多位業(yè)界相關(guān)人士)。
期待導(dǎo)電性粘合劑的進(jìn)步
第①項(xiàng)措施中的低溫焊接材料的候選項(xiàng)不僅限于Sn-Zn類等低溫焊錫。導(dǎo)電性粘合劑也是候選技術(shù)之一 注7)。這種粘合劑的耐熱性很高,可在+300℃左右的高溫條件下保持粘合性能,因此多用于車載設(shè)備等。該粘合劑還具有可在+150℃左右低溫下完成封裝的特點(diǎn)。因此,作為可對(duì)固體攝影元件及液晶面板等非耐高溫部件進(jìn)行高密度封裝的接合技術(shù)而備受期待 注3)。某大型電機(jī)廠商的封裝部門表示,“此前,我們只設(shè)立了焊錫技術(shù)研發(fā)小組,最近還成立了致力于導(dǎo)電性粘合劑等新型接合方式的研發(fā)小組”。很多開發(fā)似乎都在悄然進(jìn)行之中。
注7)從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō),要闡述節(jié)能化,還必須考慮接合材料不同造成的封裝時(shí)間差異,但此處僅以封裝溫度差異為重點(diǎn)介紹了候選技術(shù)。
一般情況下,導(dǎo)電性粘合劑是起導(dǎo)電作用的金屬(一般為銀填料)和起固定作用的環(huán)氧樹脂混合后形成的。其材料構(gòu)成可實(shí)現(xiàn)低溫封裝并具有高耐熱性,但同時(shí)也存在難以作為通用接合技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的問(wèn)題。比如,由于含銀,除了價(jià)格昂貴之外,還存在銀離子遷移(Ion Migration)造成的短路以及鍍銀和鍍錫反應(yīng)造成的噴鍍界面腐蝕等問(wèn)題。雖然人們一直在嘗試解決這些問(wèn)題,但“目前仍難以作為焊錫的替代技術(shù)”(多位業(yè)界人士)。
不過(guò),導(dǎo)電性粘合劑“與金屬材料的焊錫不同,在研發(fā)過(guò)程中,其性能很可能會(huì)得到大幅提高”(某電子廠商技術(shù)人員)。最近,概念上與原來(lái)不同的導(dǎo)電性粘合劑開始問(wèn)世。比如,松下電工開發(fā)的粘合劑便是其中之一。與原來(lái)通過(guò)接觸銀填料實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通的導(dǎo)電性粘合劑不同,在環(huán)氧樹脂中,金屬可像焊錫一樣熔接而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通(圖9)。其特點(diǎn)是“可發(fā)揮較高的粘合性、出色的電氣可靠性及熱傳導(dǎo)性”(該公司)注8)。由于不使用銀,還具有成本低于普通導(dǎo)電性粘合劑的優(yōu)點(diǎn)。
注8)松下電工并未公開環(huán)氧樹脂中的金屬種類。08年1月宣布開發(fā)出該技術(shù)之后,“前來(lái)洽談的廠商非常多”(該公司)。目前,正在聽取用戶的要求,“不久以后就會(huì)”達(dá)到實(shí)用水平(同社)。
首先從降低設(shè)備功耗做起
可實(shí)現(xiàn)焊接工序節(jié)能化的另一方法是②改進(jìn)包括設(shè)備等在內(nèi)的外延技術(shù)。通過(guò)在其他方面節(jié)能減排,可抵消熔融溫度上升造成的能耗增加部分。其中,估計(jì)不久以后便可實(shí)現(xiàn)的是焊接設(shè)備的低功耗化。有意實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備節(jié)能化的廠商紛紛開始關(guān)注設(shè)備的低功耗化,目前,千住金屬工業(yè)及田村制作所等設(shè)備廠商都在開發(fā)低功耗型設(shè)備。“詳情還不便公開,因?yàn)橛脩籼岢隽艘螅阅壳罢谥铝τ诘凸男驮O(shè)備的開發(fā)”(千住金屬工業(yè))。在設(shè)備廠商中,索尼“目前正在考慮引進(jìn)節(jié)能型焊接設(shè)備”(索尼公關(guān)中心)。
除了降低焊接設(shè)備的功耗之外,其他措施還包括減少焊接點(diǎn)等從設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)。如果能率先改進(jìn)第②項(xiàng)措施中的外延技術(shù),等到以后使用第①項(xiàng)措施中的低溫接合材料時(shí),便可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。(轉(zhuǎn)自技術(shù)在線)