无铅技术在家电生产中的应用

作者：北京工业大学 刘朋 郭福 史耀武

欢迎访问e展厅 展厅 3 电子工业设备展厅 电路板生产设备, 分板机, 贴片机, 波峰焊, 回流焊, ... 我国是一个家电大国，据统计2004年我国家用电器行业完成销售收入3146亿元，已经成为一个成熟的产业，特别是由于家用电器的出口迅速增长，2004年家用电器出口总额171.9亿美元。目前，中国家用电器产品出口到亚洲、欧洲、北美三大主市场处于相对均衡的格局。2004年中国对上述三个市场的家电产品出口额分别占到家电出口总额的32%、32%、28%，三者合计占到市场总量的90%以上[1]。但是随着这些地区对于家电产品无铅化的要求，我国家电电子生产商面临着严峻的考验。 无铅技术提出的背景 2002年10月11日，欧盟通过了WEEE（报废电子电气设备指令）和RoHs（关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令）。特别是RoHs要求从2006年7月1日起出口到欧盟的电子设备中禁止含有铅这种元素。随着这一日期的日益临近，无铅化已经成为大家关注的焦点。亚洲方面，日本的JEIDA（日本电子工业发展协会）已提出新产品中的无铅化路线图，到2003年末，大约80%的电子生产商已生产无铅产品。无铅焊料应用于所有元件、材料和产品的计划将在2005年末完成。JEIDA同时要求出口到日本的电子、家电产品进行检验，严格控制含铅产品进入日本市场。美国NEMI（美国电子机器制造者协会）于1999年成立专门工作组，以帮助北美公司在2001年启动无铅电子组装，包括IBM、Motorola、Intel在内的众多世界著名公司都已经参与到这项工作中。与此同时许多相关的法律、法规的相继出台限制了出口到美国的含铅家电产品。如果我国的家电企业不采取措施进行无铅化生产，必将造成巨大的经济损失。 随着我国现代化进程的不断发展，国家对可持续发展的重视以及人们对环保的要求不断提高，铅对人体有危害的观念已经深入人心。同时在电子产品的环保方面，国家也制定了相关的法律。特别是2003年年底出台了《电子产品生产污染防治管理办法》，被外界称为中国版的WEEE。这部法律中规定了六种有毒有害物质在使用中受到的限制，铅元素位列其中。对这些元素禁止使用的日期为2006年7月1日（和欧盟的ROHS同时）。今天，家电、电子生产企业要想在竞争激烈的在市场中站稳脚跟，就要根据国家的法律来改进产品的生产，做到产品的无铅化。 另外对于企业自身来说，由于国家制定了《废旧家电及电子产品回收处理管理条例》，要求企业对生产的电子、家电产品的回收负责。从成本上讲，回收利用的成本太高，使得家电产品的回收成为一个非盈利性的行业，其综合成本已经超过采用无铅生产方式的成本。所以无铅化又是一个非常现实的经济问题。 无铅技术在电子、家电产品中的应用现状 现在无铅技术的研究主要集中在无铅钎料的研究与开发。国际上公认的有发展前景的合金系列主要集中在Sn-Ag、Sn-Cu和Sn-Zn等二元合金系以及Sn-Ag-Cu三元合金。国内外关于无铅钎料的研究也主要是围绕着这几种合金系进行的。 ◆ 国外研究现状 美国的高校、研究机构及企业投入了很大的精力开发无铅钎料，做出了许多开创性的工作。密歇根州立大学化学工程与材料学系的Lucas等人首次提出并研究了复合无铅钎料，用微米、纳米尺度的Ag、Cu等颗粒来增强钎料的力学性能，特别是抗蠕变性能。研究发现加入Ag、Cu、Ni等颗粒后，在不显著改变润湿性的前提下，钎料的抗蠕变能力显著增强。加州州立大学洛杉矶分校材料科学与工程系研究了无铅钎焊接头的可靠性，其中Kim等人研究了无铅钎料的润湿的动力学机理，以及钎料的界面反应，发现界面处的金属间化合物对钎料的机械性能有很大影响。马里兰大学的封装工学研究中心从系统科学的角度研究了无铅化的进程，同时对Sn-Ag-Cu和Sn-Cu钎料的耐腐蚀性和可靠性进行了研究，发现Sn-Ag-Cu无铅钎料对氯气、硫化氢等腐蚀性气体不敏感，与Sn-Pb钎料相比有较好或者相当的耐腐蚀能力。欧洲研究机构主要有柏林工业大学的Fraunhorfer研究所和Oulu大学，亚洲主要有日本东京大学先端技术研究所下属的封装工程研究所等。同时参与研究的还有以上国家和地区从事电子产品生产的知名企业。表1为几大电子公司的无铅化进程。 ◆ 国内研究现状 国内无铅钎料的研究机构主要为高校和研究所，大部分企业主要依托这些单位来开发需要的无铅产品。 清华大学材料科学与工程系研究了Sn-Ag-Cu-In-Bi系列的无铅封装材料，主要优点在于，Sn-Ag-Cu-In-Bi钎料的熔点比较低，采用这种焊料的实装温度可降到200℃以下，与现在的共晶锡铅钎料的熔点接近，可以在工艺条件不做调整的条件下进行生产。但这种钎料的延展性较差，脆性大，润湿性比较差，剥离强度低，在意外冲击下往往产生剥离，与Sn-Pb镀层的兼容性也不好。大连理工大学材料工程系王富岗等人利用机械合金化（MA）的制备方法研制了Sn-9Zn、Sn-5Sb无铅钎料。研究结果表明 ：Sb、Zn在Sn中的固溶度包含了原子的置换固溶和晶界溶解,金属粉末的最终颗粒尺寸可以通过选用合适的工艺参数来控制，粉末尺寸可减小到3～10mm。对于多组元合金，MA被认为是一种有价值的合成无铅钎料合金的方法。北京工业大学先进材料加工技术研究所系统地研究了Sn-Ag、Sn-Cu以及Sn-Ag-Cu无铅钎料，并且通过添加稀土元素以及颗粒增强来改善钎料的性能，研究发现钎料的蠕变性能得到显著提高，并在此领域申请了若干项专利。 ◆ 无铅技术在主要家电、电子公司的应用 2004年夏天，飞利浦公司宣布其6系列显示器为“全球首款无铅显示器”，宣告了家电业无铅时代的来临。6系列显示器通过了目前显示器行业中最严格的TCO 03认证，此认证加入了对铅元素的使用限制，做到了显示器的电池、颜料、喷漆、外部电缆、塑料元件和外置电源都不含铅，其余各部分的铅含量的比重不超过百万分之五十。作为世界主要的电子、家电供应商飞利浦推出的无铅显示器显示了国际一线大厂的人文关怀理念。 近日，国内不少大型家电企业如TCL、创维、海尔等企业相继对外宣布，在彩电生产过程中引入“无铅焊接”技术，利用该技术生产的电视产品将完全符合欧盟颁布的WEEE指令和RoHs指令。 目前存在的基本问题 国内外各科研机构经过多年的努力对无铅钎料的研究已经取得了一定的成果，开发出了在试验室条件下具有优良性能的无铅钎料，在工业生产中得到了一定的应用。但是无铅钎料的研究目前仍然存在着以下一些问题。 ● 无铅钎料各个参数的匹配问题 无铅钎料要能达到实用化的程度必须考虑以下几个参数的匹配： （1）良好的润湿性；（2）优良的抗蠕变性能 ；（3）良好的耐热疲劳性能 ；（4） 力学性能 ；（5）高的导电率。但是目前研究的无铅钎料都仅在上述部分参数上表现优良，比如Sn-Zn共晶钎料的熔点比较低，为199℃，与Sn-Pb钎料比较接近，但是由于Sn-Zn容易氧化，所以润湿性比较差。而Sn-Ag的润湿性相对比较好，抗蠕变性能优良，但是熔点比较高，为221℃。钎焊温度比较高，使用现在的表面组装设备，钎焊接头的质量很难得到保证。如果提高钎焊温度，对电子元器件耐温温度的要求便要提高。 因此，目前的许多研究都试图通过添加其它合金元素来优化钎料的性能，使上述参数达到最大程度的匹配。 ● 理论研究的问题 从目前的文献来看，无铅钎料的研究主要还是集中在材料的寻找和简单的性能测定两个方面。通过试验得到的性能，来选择需要的材料。但是真正从材料的物理结构层面来研究无铅钎料性能优劣或者取舍的还不是很多，问题并没有从根本上得到解决。这种问题的出现与现时无铅应用法律法令提出的紧迫要求具有直接关系。 ● 无铅技术的标准问题 现在正在进行的无铅钎料研究大部分还处于独立研究开发阶段，研究出的无铅钎料在对比方面还缺乏一个有效的标准，国外在无铅技术的标准制定方面已经走在前列。 日本方面，日本经济产业省于2004年６月20日发布“无铅焊锡试验方法”，制定了相关的JIS（日本工业标准）。该标准主要对熔化温度范围、机械特性、可湿性、接合强度等基本特性的评估试验方法制定了相关的规定。欧洲的家电巨头Philips(皇家飞利浦电子公司)、Infineon Technologies（英飞凌科技公司）及ST Microelectronics（意法半导体）联合行动推动“无铅”封装的应用和无铅技术的发展。三家公司于2001年2月提出了建议标准。美国也曾在90年代初期，提出过相关的标准问题。 在IT业界流行一句俗语 ：三流的企业做生产，二流的企业做设计，一流的企业做标准。我国科技工作者和企业应当重视相关标准的制定。现在世界上还没有一个统一的标准，我们要抓住这个机会，在世界标准的制定方面参与进去。可喜的是我国的有关方面已经注意到这个问题，已经开始着手制定相关的标准。 ● 其它问题 在无铅技术的研究中还存在着其它的问题，比如无铅技术的专利问题。目前资料显示申请专利的主要是国外的公司如韩国的三星电子、日本千住金属等，国内只有北京工业大学和大连理工大学等申请了相关的专利。另外，目前多数研究还主要集中在电子封装领域，涉及到家电领域的研究相对较少。 但是许多电子封装领域的研究成果并不能直接用于家电生产，所以无铅技术在家电领域的研究有待进一步加强。 对策与展望 随着绿色无铅时代的来临，我们要抓住无铅技术发展这个机遇，加快我国家电产业的更新换代。在这种形势下，我国的无铅技术研究机构和家电企业应该学习国外无铅技术研究的长处，在无铅技术领域的某些方面有所突破；要系统地研究无铅技术的各个方面，特别是无铅的标准以及相关部件的无铅化 ；我们还应该加强科研机构和企业的合作，充分利用企业的资金和研究机构的科研优势，尽快把科研成果转化成企业的产品，从而更加积极参与到国际无铅化的进程中。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/5/2005)