 |
| 圖2 需要轉向新視點此前電子廠商一直在為無鉛化等有害物質對策而奔忙。如今，絕大多數企業都已采取無鉛化等有害物質對策。今后，為防止全球變暖而采取各種節能減排措施，將變得更加重要。焊錫技術的重點也應該從無鉛化轉向全球變暖對策。 |
在考慮與焊錫相關的全球變暖對策，即焊接工序的具體節能減排措施之前，讓我們先回顧一下焊錫無鉛化的發展歷程。
目前作為標準無鉛焊錫得到廣泛應用的Sn-3Ag-0.5Cu，是2000年電子信息技術產業協會（JEITA）指定推薦的，從2001年前后起已被多數設備廠商正式采用。自采用之初起，人們就一直擔心，其熔融溫度高于Sn-Pb共晶焊錫會帶來諸多弊端。一些人曾為能耗增加而擔憂，但大多數人擔心的卻是電子部件能否耐熱這一技術課題。
即便如此，JEITA仍將Sn-3Ag-0.5Cu指定為推薦無鉛焊錫，并得到了廣泛應用，原因是優先考慮了“可靠性”。作為無鉛焊錫的候選，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缺點（圖3）。
 |
| 圖3 各種無鉛焊錫均存在優缺點圖中介紹了典型的無鉛焊錫Sn-Ag-Cu類、Sn-Cu類及Sn-Zn類的特性。雷達圖對無鉛焊錫和Sn-Pb共晶焊錫進行了比較。數值越大，說明特性越出色。從中可以看出各種無鉛焊錫均有優缺點。如Sn-Ag-Cu類的缺點是熔點及價格較高，但耐熱疲勞性及機械強度等接合特性出色。（圖：本刊根據“三洋電機技報 VOL.34 NO.2 DEC.2002”對雷達圖進行了部分修改） |
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，“無鉛化時導致的焊接可靠性降低問題”較少。對焊接技術十分熟悉的大阪大學教授、產業科學研究所產業科學納米技術中心主任菅沼克昭表示，“在無鉛化第一階段，Sn-3Ag-0.5Cu不失為一種妥當的選擇”。
 |
| 圖4 強度出色的Sn-3Ag-0.5Cu JEITA提供的無鉛焊錫接合可靠性評價范例。對分別采用Sn-3Ag-0.5Cu和Sn-Pb共晶焊錫技術焊接的連接器，進行了扭矩強度和側向擠壓強度測定（a，b）。圖中顯示了初始狀態和1000個周期以后的強度變化。Sn-3Ag-0.5Cu的兩種強度都比較高。（圖：本刊根據JEITA的資料進行了部分修改） |
注2）可靠性評價企業ESPEC TEST CENTER表示，“此前一直沒有發現無鉛焊錫自身所引發的問題”（該公司董事兼橫濱R&D中心主任高橋邦明）。“發生問題時，原因可能是沒有根據無鉛焊錫的特性進行設計”（高橋）。
Ag價格攀升導致無鉛焊錫發展偏離路線圖
JEITA最初計劃的無鉛焊錫路線圖為：“首先通過焊接可靠性較高的Sn-3Ag-0.5Cu渡過無鉛化難關，然后過渡至熔點較低的Sn-Zn類‘低溫焊錫’”。
但是，從現狀來看，無鉛焊錫的發展已開始偏離這一藍圖。其原因是，在封裝現場，對低溫焊錫的技術需求降低。多家電子廠商的技術人員這樣說：“與無鉛化之初相比，部件的耐熱性已逐步提高，焊接設備的性能也獲得改善，因此，溶融溫度高不再成為問題。而且，各企業投資更新的設備，不可能立即改為需要花費新成本及工時的其他類型的無鉛焊錫”。在封裝現場，更是把Sn-Ag-Cu類視為“理想選擇”。如今，部件耐熱性等技術課題日益減少，封裝現場所關心的問題已經不是如何降低熔融溫度，而是如何降低成本（圖5）。
 |
| 圖5 當前的課題是降低材料價格無鉛化之初，曾將Sn-Zn等“低溫焊錫”視為繼Sn-3Ag-0.5Cu之后的第二代無鉛焊錫。但實際上，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鉛焊錫，多家企業目前都在考慮采用這些技術（a）。廠商希望通過減少高價Ag的含量，降低材料價格。實際上，即使Ag的含量只減少一點點，也會對降低材料價格產生明顯效果（b）。 |
Sn-3Ag-0.5Cu原本就比Sn-Pb共晶焊錫的材料價格要高，這幾年隨著銀（Ag）的價格不斷攀升，與Sn-Pb共晶焊錫的價格差也日益擴大。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鉛焊錫，目前多家設備廠商都在考慮采用這些技術 注2）。
需要從宏觀考慮對策
這些低銀焊錫的熔融溫度其實比Sn-3Ag-0.5Cu更高。作為當前的對策，降低成本當然必不可少，但如果對全球變暖對策產生負面影響的話，就不能稱之為最佳選擇。立足長遠尋求解決方案而非采取權宜之計，同樣十分重要。
專門研究環境科學的日本東京大學名譽教授、聯合國大學名譽副校長安井至發表了某種意義上略顯偏激的看法，他認為繼續使用Sn-Pb共晶焊錫才是上策。安井表示，“原本的環境對策關鍵，是希望將總體環境的污染變得最小化。焊錫無鉛化本身并不能減少多少環境污染負荷。倒不如說，由于采用熔融溫度較高的無鉛焊錫，環境污染的總體負荷反而有可能增大。我個人的看法是，RoHS指令早晚應該取消”注3）。
注3）比如，對鉛的毒性風險以及無鉛化導致的全球變暖風險等不同環境指標進行定量比較的研究，目前還沒有取得明顯進展。“指標完全不同，所以比較起來非常困難。不過，今后應該致力于這方面的評價”（某研究調查公司）。
不只是安井，許多專家及技術人員都認為，使總體環境污染最小化的觀點是正確的。正如焊錫無鉛化一樣，優先采取某些對策會對其他部分產生負面影響，電子廠商今后在各種環保對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象。為了實現總體環境污染最小化目的，應該以何種優先順序、以何種平衡的比率采取有害物質對策、全球變暖對策及節約資源對策等各項環保措施，在這方面未雨綢繆、集思廣益，將變得更為重要（圖6）。
 |
| 圖6 重要的是從總體上實現環境污染的最小化關于環保問題，當致力于某項課題并設法改善時，很多情況下會造成其他指標降低。為了實現總體環境污染的最小化，應考慮以何種優先順序、以何種平衡比率來采取各項環保對策，今后這一點將變得更為重要。 |
但是為了節能而繼續使用Sn-Pb共晶焊錫的做法是不現實的。其原因是，既然RoHS指令這一法規已經出臺，就必須致力于無鉛化。電子廠商真正應該推進的目標是，在無鉛化前提下，實現焊接工序的節能化。
為此，可采取的措施大致分為兩種。①采用低溫焊接材料；②改進包括設備等在內的外延技術（圖7）。第①項的目的是讓升高了的封裝溫度再次降低，屬于根本對策，但目前仍然存在許多技術問題，所以需要較長的時間開發完善 注4）。在等待第①項措施完善的現階段，②是一種非常有效的方法。
 |
| 圖7 可采取兩種方法過渡到無鉛焊錫之后，制造產品時使用的能耗增加，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改進包括設備等在內的外圍技術。另外，還有人建議采用Sn-Pb共晶焊錫技術。要采用這些方法，仍有很多問題需要解決。 |
注4）低溫接合技術的開發不只是為了實現節能化，將來還有望成為“有機電子時代”所需要的候選接合技術。柔性產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項措施中的低溫焊接材料，會使人想到最初JEITA計劃中定位為第二代無鉛焊錫的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）這種廉價材料，因此，在典型的無鉛焊錫組成中，具有成本最低這一優點（圖5b）。難怪最初人們將其視為無鉛焊錫的“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曾將其全面用于個人電腦，但“從2006年中期起，除部分機型外，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，據筆者推測，改為成本較高的Sn-Ag-Cu類焊錫的原因還在于應用等方面存在一些問題。
 |
| 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，會發生絕緣電阻劣化的現象。據JEITA推測，其原因可能是，焊錫中的Zn成分進入積層陶瓷電容器的鍍鎳層內，導致鎳層劣化，此外，圖中所示的因素也會導致劣化。不過，由于各廠商的積層陶瓷電容器的結構及材料不同，這種劣化因素并不適用于所有情況。（圖：本刊根據JEITA資料繪制） |
注6）并不是所有的積層陶瓷電容器都會發生這種問題，會發生和不會發生的電容器均存在。“積層陶瓷電容器就像需要大量生產的設備產業一樣。需要進行大規模投資，所以目前的現狀是，即使電容器發生問題，也不可能立即修改性能指標”（多位業界相關人士）。
期待導電性粘合劑的進步
第①項措施中的低溫焊接材料的候選項不僅限于Sn-Zn類等低溫焊錫。導電性粘合劑也是候選技術之一 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，因此多用于車載設備等。該粘合劑還具有可在＋150℃左右低溫下完成封裝的特點。因此，作為可對固體攝影元件及液晶面板等非耐高溫部件進行高密度封裝的接合技術而備受期待 注3）。某大型電機廠商的封裝部門表示，“此前，我們只設立了焊錫技術研發小組，最近還成立了致力于導電性粘合劑等新型接合方式的研發小組”。很多開發似乎都在悄然進行之中。
注7）從嚴格意義上來說，要闡述節能化，還必須考慮接合材料不同造成的封裝時間差異，但此處僅以封裝溫度差異為重點介紹了候選技術。
一般情況下，導電性粘合劑是起導電作用的金屬（一般為銀填料）和起固定作用的環氧樹脂混合后形成的。其材料構成可實現低溫封裝并具有高耐熱性，但同時也存在難以作為通用接合技術得到廣泛應用的問題。比如，由于含銀，除了價格昂貴之外，還存在銀離子遷移（Ion Migration）造成的短路以及鍍銀和鍍錫反應造成的噴鍍界面腐蝕等問題。雖然人們一直在嘗試解決這些問題，但“目前仍難以作為焊錫的替代技術”（多位業界人士）。
不過，導電性粘合劑“與金屬材料的焊錫不同，在研發過程中，其性能很可能會得到大幅提高”（某電子廠商技術人員）。最近，概念上與原來不同的導電性粘合劑開始問世。比如，松下電工開發的粘合劑便是其中之一。與原來通過接觸銀填料實現導通的導電性粘合劑不同，在環氧樹脂中，金屬可像焊錫一樣熔接而實現導通（圖9）。其特點是“可發揮較高的粘合性、出色的電氣可靠性及熱傳導性”（該公司）注8）。由于不使用銀，還具有成本低于普通導電性粘合劑的優點。
 |
| 圖9 兼具焊錫接合特性的導電性粘合劑松下電工開發出了通過焊錫之類的金屬熔接實現導通的導電性粘合劑（a）。首先，金屬在液體環氧樹脂中熔融，形成金屬接合結構。然后，原來呈液體狀態的環氧樹脂逐漸硬化。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電性粘合劑的特點。原來的導電性粘合劑通過與環氧樹脂中含有的銀填料接觸實現導通（b）。此次不使用銀填料，因此無需擔心原來的導電性粘合劑所存在的問題——銀離子遷移。可通過一次加熱，實現金屬熔接以及粘合劑環氧樹脂的硬化（c）。（圖：本刊根據松田電工的資料繪制） |
注8）松下電工并未公開環氧樹脂中的金屬種類。08年1月宣布開發出該技術之后，“前來洽談的廠商非常多”（該公司）。目前，正在聽取用戶的要求，“不久以后就會”達到實用水平（同社）。
首先從降低設備功耗做起
可實現焊接工序節能化的另一方法是②改進包括設備等在內的外延技術。通過在其他方面節能減排，可抵消熔融溫度上升造成的能耗增加部分。其中，估計不久以后便可實現的是焊接設備的低功耗化。有意實現焊接設備節能化的廠商紛紛開始關注設備的低功耗化，目前，千住金屬工業及田村制作所等設備廠商都在開發低功耗型設備。“詳情還不便公開，因為用戶提出了要求，所以目前正在致力于低功耗型設備的開發”（千住金屬工業）。在設備廠商中，索尼“目前正在考慮引進節能型焊接設備”（索尼公關中心）。
除了降低焊接設備的功耗之外，其他措施還包括減少焊接點等從設計上加以改進。如果能率先改進第②項措施中的外延技術，等到以后使用第①項措施中的低溫接合材料時，便可進一步實現節能。（轉自技術在線）
