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| 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）。
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| 圖3 各種無(wú)鉛焊錫均存在優(yōu)缺點(diǎn)圖中介紹了典型的無(wú)鉛焊錫Sn-Ag-Cu類、Sn-Cu類及Sn-Zn類的特性。雷達(dá)圖對(duì)無(wú)鉛焊錫和Sn-Pb共晶焊錫進(jìn)行了比較。數(shù)值越大，說(shuō)明特性越出色。從中可以看出各種無(wú)鉛焊錫均有優(yōu)缺點(diǎn)。如Sn-Ag-Cu類的缺點(diǎn)是熔點(diǎn)及價(jià)格較高，但耐熱疲勞性及機(jī)械強(qiáng)度等接合特性出色。（圖：本刊根據(jù)“三洋電機(jī)技報(bào) VOL.34 NO.2 DEC.2002”對(duì)雷達(dá)圖進(jìn)行了部分修改） |
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”。
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| 圖4 強(qiáng)度出色的Sn-3Ag-0.5Cu JEITA提供的無(wú)鉛焊錫接合可靠性評(píng)價(jià)范例。對(duì)分別采用Sn-3Ag-0.5Cu和Sn-Pb共晶焊錫技術(shù)焊接的連接器，進(jìn)行了扭矩強(qiáng)度和側(cè)向擠壓強(qiáng)度測(cè)定（a，b）。圖中顯示了初始狀態(tài)和1000個(gè)周期以后的強(qiáng)度變化。Sn-3Ag-0.5Cu的兩種強(qiáng)度都比較高。（圖：本刊根據(jù)JEITA的資料進(jìn)行了部分修改） |
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）。
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| 圖5 當(dāng)前的課題是降低材料價(jià)格無(wú)鉛化之初，曾將Sn-Zn等“低溫焊錫”視為繼Sn-3Ag-0.5Cu之后的第二代無(wú)鉛焊錫。但實(shí)際上，Ag含量低于Sn-3Ag-0.5Cu的Sn-1Ag-0.7Cu及Sn-0.3Ag-0.7Cu等組成的焊錫逐漸被定位為第二代無(wú)鉛焊錫，多家企業(yè)目前都在考慮采用這些技術(shù)（a）。廠商希望通過(guò)減少高價(jià)Ag的含量，降低材料價(jià)格。實(shí)際上，即使Ag的含量只減少一點(diǎn)點(diǎn)，也會(huì)對(duì)降低材料價(jià)格產(chǎn)生明顯效果（b）。 |
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）。
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| 圖6 重要的是從總體上實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染的最小化關(guān)于環(huán)保問(wèn)題，當(dāng)致力于某項(xiàng)課題并設(shè)法改善時(shí)，很多情況下會(huì)造成其他指標(biāo)降低。為了實(shí)現(xiàn)總體環(huán)境污染的最小化，應(yīng)考慮以何種優(yōu)先順序、以何種平衡比率來(lái)采取各項(xiàng)環(huán)保對(duì)策，今后這一點(diǎn)將變得更為重要。 |
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。
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| 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。
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| 圖8 積層陶瓷電容器不宜采用Sn-Zn類焊錫 Sn-Zn類焊錫的一大課題是，用于封裝積層陶瓷電容器時(shí)，會(huì)發(fā)生絕緣電阻劣化的現(xiàn)象。據(jù)JEITA推測(cè)，其原因可能是，焊錫中的Zn成分進(jìn)入積層陶瓷電容器的鍍鎳層內(nèi)，導(dǎo)致鎳層劣化，此外，圖中所示的因素也會(huì)導(dǎo)致劣化。不過(guò)，由于各廠商的積層陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)及材料不同，這種劣化因素并不適用于所有情況。（圖：本刊根據(jù)JEITA資料繪制） |
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)。
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| 圖9 兼具焊錫接合特性的導(dǎo)電性粘合劑松下電工開發(fā)出了通過(guò)焊錫之類的金屬熔接實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通的導(dǎo)電性粘合劑（a）。首先，金屬在液體環(huán)氧樹脂中熔融，形成金屬接合結(jié)構(gòu)。然后，原來(lái)呈液體狀態(tài)的環(huán)氧樹脂逐漸硬化。封裝溫度為150℃。兼具類似于焊錫的電氣特性，以及可在低溫下完成封裝的導(dǎo)電性粘合劑的特點(diǎn)。原來(lái)的導(dǎo)電性粘合劑通過(guò)與環(huán)氧樹脂中含有的銀填料接觸實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通（b）。此次不使用銀填料，因此無(wú)需擔(dān)心原來(lái)的導(dǎo)電性粘合劑所存在的問(wèn)題——銀離子遷移。可通過(guò)一次加熱，實(shí)現(xiàn)金屬熔接以及粘合劑環(huán)氧樹脂的硬化（c）。（圖：本刊根據(jù)松田電工的資料繪制） |
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）
