無鉛技術(shù)在家電生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、無鉛技術(shù)在家電生產(chǎn)中的應(yīng)用我國是一個家電大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)2004年我國家用電器行業(yè)完成銷售收入 3146億元, 已經(jīng)成為一個成熟的產(chǎn)業(yè)，特別是由于家用電器的出口迅速增長，2004年家用電器出口總額171.9億美元。目前，中國家用電器產(chǎn)品出口到亞洲、歐洲、北美 三大主市場處于相對均衡的格局。2004年中國對上述三個市場的家電產(chǎn)品出口 額分別占到家電出口總額的32% 32% 28%三者合計(jì)占到市場總量的 90%上 1。但是隨著這些地區(qū)對于家電產(chǎn)品無鉛化的要求，我國家電電子生產(chǎn)商面臨 著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。無鉛技術(shù)提出的背景2002年10月11日，歐盟通過了 WEE（報廢電子電氣設(shè)備指令）和 RoHs（關(guān)于 在

2、電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令）。特別是RoHs要求從2006年7月1日起出口到歐盟的電子設(shè)備中禁止含有鉛這種元素。隨著這一日期的日益臨近，無鉛化已經(jīng)成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。亞洲方面，日本的 JEIDA（日本電子工業(yè) 發(fā)展協(xié)會）已提出新產(chǎn)品中的無鉛化路線圖，到2003年末，大約80%勺電子生產(chǎn)商已生產(chǎn)無鉛產(chǎn)品。無鉛焊料應(yīng)用于所有元件、材料和產(chǎn)品的計(jì)劃將在2005年末完成。JEIDA同時要求出口到日本的電子、家電產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，嚴(yán)格控制含 鉛產(chǎn)品進(jìn)入日本市場。美國NEMI（美國電子機(jī)器制造者協(xié)會）于1999年成立專 門工作組，以幫助北美公司在 2001年啟動無鉛電子組裝，包括IBM Motor

3、ola、 In tel在內(nèi)的眾多世界著名公司都已經(jīng)參與到這項(xiàng)工作中。與此同時許多相關(guān)的 法律、法規(guī)的相繼出臺限制了出口到美國的含鉛家電產(chǎn)品。 如果我國的家電企業(yè) 不采取措施進(jìn)行無鉛化生產(chǎn)，必將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷發(fā)展， 國家對可持續(xù)發(fā)展的重視以及人們對環(huán)保的要 求不斷提高，鉛對人體有危害的觀念已經(jīng)深入人心。 同時在電子產(chǎn)品的環(huán)保方面， 國家也制定了相關(guān)的法律。特別是 2003 年年底出臺了電子產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治 管理辦法，被外界稱為中國版的 WEEE這部法律中規(guī)定了六種有毒有害物質(zhì) 在使用中受到的限制，鉛元素位列其中。對這些元素禁止使用的日期為 2006年 7月1日（和歐

4、盟的ROH同時）。今天，家電、電子生產(chǎn)企業(yè)要想在競爭激烈 的在市場中站穩(wěn)腳跟， 就要根據(jù)國家的法律來改進(jìn)產(chǎn)品的生產(chǎn)， 做到產(chǎn)品的無鉛 化。另外對于企業(yè)自身來說， 由于國家制定了 廢舊家電及電子產(chǎn)品回收處理管理?xiàng)l 例，要求企業(yè)對生產(chǎn)的電子、家電產(chǎn)品的回收負(fù)責(zé)。從成本上講，回收利用的 成本太高， 使得家電產(chǎn)品的回收成為一個非盈利性的行業(yè)， 其綜合成本已經(jīng)超過 采用無鉛生產(chǎn)方式的成本。所以無鉛化又是一個非?，F(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)問題。無鉛技術(shù)在電子、家電產(chǎn)品中的應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)在無鉛技術(shù)的研究主要集中在無鉛釬料的研究與開發(fā)。 國際上公認(rèn)的有發(fā)展前 景的合金系列主要集中在 Sn-Ag、 Sn-Cu 和 Sn-Zn 等二

5、元合金系以及 Sn-Ag-Cu 三元合金。國內(nèi)外關(guān)于無鉛釬料的研究也主要是圍繞著這幾種合金系進(jìn)行的。國外研究現(xiàn)狀美國的高校、 研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)投入了很大的精力開發(fā)無鉛釬料， 做出了許多開創(chuàng) 性的工作。密歇根州立大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)系的 Lucas等人首次提出并研究了 復(fù)合無鉛釬料，用微米、納米尺度的 Ag Cu等顆粒來增強(qiáng)釬料的力學(xué)性能，特 別是抗蠕變性能。研究發(fā)現(xiàn)加入 Ag、 Cu、 Ni 等顆粒后，在不顯著改變潤濕性的前提下，釬料的抗蠕變能力顯著增強(qiáng)。 加州州立大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程 系研究了無鉛釬焊接頭的可靠性， 其中 Kim 等人研究了無鉛釬料的潤濕的動力學(xué) 機(jī)理，以及釬料的界面反

6、應(yīng)， 發(fā)現(xiàn)界面處的金屬間化合物對釬料的機(jī)械性能有很 大影響。馬里蘭大學(xué)的封裝工學(xué)研究中心從系統(tǒng)科學(xué)的角度研究了無鉛化的進(jìn) 程，同時對Sn-Ag-Cu和Sn-Cu釬料的耐腐蝕性和可靠性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn) Sn-Ag-Cu無鉛釬料對氯氣、硫化氫等腐蝕性氣體不敏感，與Sn-Pb釬料相比有較好或者相當(dāng)?shù)哪透g能力。 歐洲研究機(jī)構(gòu)主要有柏林工業(yè)大學(xué)的 Fraunhorfer 研究所和 Oulu 大學(xué)，亞洲主要有日本東京大學(xué)先端技術(shù)研究所下屬的封裝工程 研究所等。同時參與研究的還有以上國家和地區(qū)從事電子產(chǎn)品生產(chǎn)的知名企業(yè)。 表 1 為幾大電子公司的無鉛化進(jìn)程。國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)無鉛釬料的研究機(jī)構(gòu)主要為高校和研

7、究所， 大部分企業(yè)主要依托這些單位來 開發(fā)需要的無鉛產(chǎn)品。清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系研究了 Sn-Ag-Cu-In-Bi 系列的無鉛封裝材料，主要 優(yōu)點(diǎn)在于， Sn-Ag-Cu-In-Bi 釬料的熔點(diǎn)比較低，采用這種焊料的實(shí)裝溫度可降 到200C以下，與現(xiàn)在的共晶錫鉛釬料的熔點(diǎn)接近，可以在工藝條件不做調(diào)整的 條件下進(jìn)行生產(chǎn)。但這種釬料的延展性較差，脆性大，潤濕性比較差，剝離強(qiáng)度 低，在意外沖擊下往往產(chǎn)生剝離， 與 Sn-Pb 鍍層的兼容性也不好。 大連理工大學(xué) 材料工程系王富崗等人利用機(jī)械合金化(MA的制備方法研制了 Sn-9Zn、Sn-5Sb無鉛釬料。研究結(jié)果表明：Sb Zn在Sn中的固溶度包

8、含了原子的置換固溶和 晶界溶解 , 金屬粉末的最終顆粒尺寸可以通過選用合適的工藝參數(shù)來控制，粉末 尺寸可減小到310mm對于多組元合金，MA被認(rèn)為是一種有價值的合成無鉛釬 料合金的方法。北京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料加工技術(shù)研究所系統(tǒng)地研究了Sn-Ag、Sn-Cu以及Sn-Ag-Cu無鉛釬料，并且通過添加稀土元素以及顆粒增強(qiáng)來改善釬 料的性能， 研究發(fā)現(xiàn)釬料的蠕變性能得到顯著提高， 并在此領(lǐng)域申請了若干項(xiàng)專 利。無鉛技術(shù)在主要家電、電子公司的應(yīng)用2004年夏天，飛利浦公司宣布其6系列顯示器為“全球首款無鉛顯示器”，宣 告了家電業(yè)無鉛時代的來臨。6系列顯示器通過了目前顯示器行業(yè)中最嚴(yán)格的 TCO03認(rèn)證，

9、此認(rèn)證加入了對鉛元素的使用限制，做到了顯示器的電池、顏料、 噴漆、外部電纜、塑料元件和外置電源都不含鉛， 其余各部分的鉛含量的比重不 超過百萬分之五十。作為世界主要的電子、家電供應(yīng)商飛利浦推出的無鉛顯示器 顯示了國際一線大廠的人文關(guān)懷理念。近日，國內(nèi)不少大型家電企業(yè)如 TCL創(chuàng)維、海爾等企業(yè)相繼對外宣布，在彩電 生產(chǎn)過程中引入“無鉛焊接”技術(shù)，利用該技術(shù)生產(chǎn)的電視產(chǎn)品將完全符合歐盟 頒布的 WEEE旨令和RoHs指令毛 凹邂子公司的無糖代歲程便用植圍期限盍尼錄媲機(jī)20013全部2001三菱2伽至部2005全部2006芋機(jī)200J新產(chǎn)品的麗2001飛利浦燈具用慕板1999述訊產(chǎn)品的3%2003全

10、部20IH目前存在的基本問題國內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)經(jīng)過多年的努力對無鉛釬料的研究已經(jīng)取得了一定的成果，開發(fā)出了在試驗(yàn)室條件下具有優(yōu)良性能的無鉛釬料， 在工業(yè)生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng) 用。但是無鉛釬料的研究目前仍然存在著以下一些問題。無鉛釬料各個參數(shù)的匹配問題無鉛釬料要能達(dá)到實(shí)用化的程度必須考慮以下幾個參數(shù)的匹配： （1）良好的潤濕性；（ 2）優(yōu)良的抗蠕變性能 ；（ 3）良好的耐熱疲勞性能 ； （ 4） 力學(xué)性能 ；（5）高的導(dǎo)電率。但是目前研究的無鉛釬料都僅在上述部分 參數(shù)上表現(xiàn)優(yōu)良，比如Sn-Zn共晶釬料的熔點(diǎn)比較低，為199C，與Sn-Pb釬料 比較接近，但是由于Sn-Zn容易氧化，所以潤濕性比較差

11、。而Sn-Ag的潤濕性相 對比較好，抗蠕變性能優(yōu)良，但是熔點(diǎn)比較高，為 221C。釬焊溫度比較高，使 用現(xiàn)在的表面組裝設(shè)備， 釬焊接頭的質(zhì)量很難得到保證。 如果提高釬焊溫度， 對 電子元器件耐溫溫度的要求便要提高。因此，目前的許多研究都試圖通過添加其它合金元素來優(yōu)化釬料的性能， 使上述 參數(shù)達(dá)到最大程度的匹配。 理論研究的問題從目前的文獻(xiàn)來看， 無鉛釬料的研究主要還是集中在材料的尋找和簡單的性能測 定兩個方面。 通過試驗(yàn)得到的性能， 來選擇需要的材料。 但是真正從材料的物理 結(jié)構(gòu)層面來研究無鉛釬料性能優(yōu)劣或者取舍的還不是很多， 問題并沒有從根本上 得到解決。這種問題的出現(xiàn)與現(xiàn)時無鉛應(yīng)用法律法令

12、提出的緊迫要求具有直接關(guān) 系。 無鉛技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)問題現(xiàn)在正在進(jìn)行的無鉛釬料研究大部分還處于獨(dú)立研究開發(fā)階段， 研究出的無鉛釬 料在對比方面還缺乏一個有效的標(biāo)準(zhǔn)， 國外在無鉛技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定方面已經(jīng)走在 前列。日本方面，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省于2004年6月20日發(fā)布“無鉛焊錫試驗(yàn)方法”，制 定了相關(guān)的JIS （日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。該標(biāo)準(zhǔn)主要對熔化溫度范圍、機(jī)械特性、可 濕性、接合強(qiáng)度等基本特性的評估試驗(yàn)方法制定了相關(guān)的規(guī)定。 歐洲的家電巨頭Philips（ 皇家飛利浦電子公司 ） 、Infineon Technologies （英飛凌科技公司）及 ST Microelectronics （意法半導(dǎo)體）聯(lián)合行動

13、推動“無鉛”封裝的應(yīng)用和無鉛 技術(shù)的發(fā)展。三家公司于 2001年 2月提出了建議標(biāo)準(zhǔn)。美國也曾在 90 年代初期， 提出過相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)問題。在 IT 業(yè)界流行一句俗語 ：三流的企業(yè)做生產(chǎn)， 二流的企業(yè)做設(shè)計(jì)， 一流的企業(yè) 做標(biāo)準(zhǔn)。我國科技工作者和企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。 現(xiàn)在世界上還沒有一 個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)， 我們要抓住這個機(jī)會， 在世界標(biāo)準(zhǔn)的制定方面參與進(jìn)去。 可喜的 是我國的有關(guān)方面已經(jīng)注意到這個問題，已經(jīng)開始著手制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。 其它問題在無鉛技術(shù)的研究中還存在著其它的問題， 比如無鉛技術(shù)的專利問題。 目前資料 顯示申請專利的主要是國外的公司如韓國的三星電子、 日本千住金屬等， 國內(nèi)只 有北京工業(yè)大學(xué)和大連理工大學(xué)等申請了相關(guān)的專利。 另外，目前多數(shù)研究還主 要集中在電子封裝領(lǐng)域，涉及到家電領(lǐng)域的研究相對較少。但是許多電子封裝領(lǐng)域的研究成果并不能直接用于家電生產(chǎn)， 所以無鉛技術(shù)在家 電領(lǐng)域的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。對策與展望隨著綠色無鉛時代的