看无铅制程的发展与对应


  台湾许多厂商在导入无铅制程时,大都未经详细评估,一开始便购买不一定合适的无铅设备,接下来对各种无铅焊料配方也没有深入探讨,便依不同客户要求采用各种不同的无铅焊材,导致后来常陷入零件材料无法完全无铅化与污染的困境。  

  ■文/陈盈暾 罗肯仕科技股份有限公司  

  欧盟于2002年10月通过RoHS指令,并于2003 年2 月13日正式公告,其内容明确的宣示将于明(2006)年7 月1日开始施行,电子产品全面禁用铅(Lead)、镉(Cadmium)、汞(Mercury)、六价铬(Hexavalent Chromium)、溴化物耐燃剂(Polybrominated Biphenyls、Polybrominated Diphenyl Ethers)等6种物质;随着法规的正式公布后,各项电子产品的无铅转换时程亦转为确定,而此一指针性规定,已演变成全球性环保要求,也成为信息电子产业基本技术门槛。

  目前国际间对于无铅电子产品的使用已有相当的共识,无铅产品的全面替代亦只是迟早的问题。也因此,台湾身为IT生产重镇,如何将无铅量产制程问题克服,来领先其它竞争对手,也成为台湾当前必须面对的重大挑战。有鉴于此,国内更应积极投入无铅量产技术的研究,才能确保竞争力,并赶上先进国家之林。

  而产品无铅化正确的态度,不仅仅意味着更换焊接材料,真正的无铅产品其所用的零件及电路板表面处理,也必须是无铅的。因此要从电子产品中去除铅,不仅需要开发可靠度良好的无铅焊锡材料(Lead-free Solder)及价格合理的可焊性表面处理技术,还必须建立一种温度与以前不同的新制程,因为现行主流无铅焊锡材料的熔点,比传统锡铅焊锡的熔点平均上升约30?,而为适应新的高温制程,亦需要以新的基板材料来对应,同时也要对材料的相互影响进行研究,以确定其可靠性。

日本对无铅化的因应态度

  以无铅制程技术最先进的日本来说,从有铅制程导入到无铅制程,不但花了十几年的功夫也遭遇许多困难,而台湾导入无铅制程也不过短短几年时间,有许多技术值得向日本学习,以下分别就日本与台湾厂商面对无铅制程的态度加以描述。

  日本厂商在刚开始导入无铅制程是先将有铅焊料换成无铅焊料,并试着找出较佳的生产条件,在找到最适当的生产条件却仍无法降低无铅制程的不良率时,即进行开发适合无铅制程的设备,设备和制程条件都在对应的同时,零件材料无铅化与污染的困扰又接踵而来,因此便再进行产品设计的改善和SOP的调整。但是目前仍然未达到预期的效果,目前正在寻求解决最后问题的阶段,一旦瓶颈问题都克服,便可制造出与有铅制程差不多的可靠度,甚至更好的产品。

国内厂商缺乏详细规划

  台湾许多厂商在导入无铅制程时,大都未经详细评估,一开始便购买不一定合适的无铅设备,接下来对各种无铅焊料配方也没有深入探讨,便依不同客户要求采用各种不同的无铅焊材(不知焊料特性与设备是否适合),去尝试最佳的生产条件;当最佳的生产条件找到后,又遇到零件材料无法完全无铅化与污染的困扰,因此就有少数厂商的态度是能拖就拖,但仍然有少数的厂商已经开始进行产品设计的改善和SOP的调整,不过还是有多数厂商不知从何下手,或者在无铅技术瓶颈上空转。

  从这里来看,日本厂商与台湾厂商在面对无铅的态度唯一的不同就是日本厂商花了相当长的时间在试验及遭遇失败再不断改进的过程,因此累积了很多know-how;因为如此积极的投入无铅技术研究,也造就了日本在制造龙头的地位不易被取代。反观台湾制造业在这几年来对无铅技术的忽视,这将是未来台湾产业发展的隐忧,因此在此时此刻必须及时积极的投入对应以避免订单的流失。

无铅焊接技术的发展趋势

  电子产品制造实施无铅化制程需面临以下问题:
  一、无铅焊料的选择;
  二、零件及印刷电路板无铅化表面处理的选择;
  三、无铅制程参数及设备的选择。
  接下来分别就3个问题的发展趋势作一叙述。

◆无铅焊料的选择

  目前无铅焊料通常是在二元合金的基础上,添加第三或第四种元素,以降低熔点温度并改善润湿性及可靠性。以往的锡铅共晶焊料(63锡/37铅)几乎是万能的电子焊锡材料,但是由于环保的考量,锡铅共晶焊料终将功成身退,目前国际上已经发表多种的无铅合金焊料专利,要使用何种无铅合金取决于产品或应用对象,主要影响因素是全程的焊接温度和价格。
  到目前为止,欧美及日本在无铅制程中普遍接受使用的无铅焊料,仍是Sn-Ag-Cu和Sn-Ag-Bi系焊料。

◆零件及印刷电路板无铅化表面处理的选择

  无铅制程不是只更换焊接材料就可称为无铅制程,真正的无铅产品所用的零件及印刷电路板披覆层也必须是无铅的。
  目前零件无铅化的表面处理的种类有:Ni/Pd/Au、Ni/Pd、Sn/1-3%Bi或Sn/1-5%Ag等。
印刷电路板无铅化表面处理的种类有:OSP、化镍金、浸镀银、浸镀锡、无铅喷锡等。

◆无铅制程参数及设备的选择

  由于无铅焊料的特殊性,使得无铅焊接制程进行时,须藉由调整制程参数及选择适当的设备,以期达到较佳的产品可靠度。

无铅喷锡之潜力

  在印刷电路板无铅表面处理的选择中,除了常见的OSP、化镍金、浸镀银、浸镀锡外,尚有一种很具潜力的无铅表面处理技术--「无铅喷锡」表面处理,在有铅焊锡时代,此种表面处理技术仍是台湾PCB业界使用率最高(60%以上)的表面处理方式,因为具一定程度的竞争力。由于其技术成熟、生产成本低廉,因而20多年来一直被广泛使用。然而随着电子封装技术由插件向SMT到CSP或MCM的快速发展及欧盟对铅的禁用,若想继续把喷锡运用在无铅制程中,势必得在技术上进行调整。无铅喷锡目前所见的方案有Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Cu系等材料的使用,我们可以相信无铅喷锡在未来仍是具有竞争力的表面处理技术。

  为了达到无铅生产的目的,厂商所抱持的正确态度,应不仅只是形成接点所需的焊料要无铅化,就连印刷电路板及组件的表面处理技术都必须无铅化。当然,当产品从有铅化导入无铅化时,所面对的抉择相当多,包括无铅焊料的选择、零件及印刷电路板无铅化表面处理的选择、无铅制程参数及设备的选择;这些抉择会随着产品种类的不同而有不同的技术搭配。

  美、欧、日过去长期投入无铅产业的研发,可从专利件数和论文的篇数上看到成果,反观国内虽有某些学术界的学者和技术研究团体在默默付出心力,但仍然很少见到普遍被无铅制程应用的专利技术。在今后的电子产业须面对技术层面(产品的小型化、多功能化、短开发周期化)、环境面(WEEE、ELV、RoHS、VOC的指令规范)、经济面(低价格、高附加价值的制造竞争)、战略面(反传统的替代材料、有效率的新制程概念)等考验与挑战,冀望在台湾的产、官、学界对未来「绿色环境」所引入的契机做妥善规划,以再涌出另一波台湾经济的奇迹,也善尽一份地球人的责任。