电子制造商关注无铅生产技术发展趋势

上网时间: 2003年06月28日? 作者:倪兆明? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:无铅生产? 回流焊? 环境保护?

尽管在全球电子制造业中全面推行无铅生产还有待时日,而怀疑论者对无铅生产的必要性和电子产品中铅的危害也还有争论,无铅制造已经成为众多政策和法规的目标所在。世界各地的电子产品制造商们不管是迫于立法的压力、还是为了迎合市场的需求、亦或是真的出于保护环境的目的,都必须去顺应全球性的无铅生产趋势。

2003年是关键的年份,有的制造商已经开始全面启动无铅生产、有的则开始进行评估和试验。日本和欧洲厂商走在了这个潮流的前面,美国厂商则紧随其后,更有专家认为,作为世界电子产品加工和生产大国,中国不久也将出台相关法规限制铅在电子制造业中的使用。

各地制造商纷纷出台政策减少铅污染

无铅生产涉及整个电子制造业上下游产业链的几乎所有领域。由于一些无铅电子产品在可靠性和可制造性等方面不如传统的锡-铅工艺产品,同时无铅生产的成本比传统工艺要高一点,制造商在这方面有惰性是自然的。一些反对者争论说,电子制造业中的铅污染远没有其它行业所带来的铅污染严重,全面实现无铅生产可能得不偿失。

不过,更多的呼声指出电子制造业中的铅污染危害是存在的。“过去我们也曾对温室效应是否真的存在、以及是否真是人类活动所导致表示过怀疑。”爱立信电源模块公司市场总监Patrick Le Fevre指出:“但经过长达十年、世界各地数千名研究人员的共同努力,国际气候变迁专案组最终确定由于人类的工业活动导致了全球气候变暖。而他们同时还发现,由于对含铅废弃电子产品的管理不善,导致了附加的环境危害。”

从2001年开始,在非政府组织强有力的推动和当地政府的支持下,日本制造商采取了积极配合的方针,使日本成为目前世界上无铅元器件、材料和最终产品供应的最大市场。配合实施日本政府的家用电子产品循环法,日本大多数合同电子加工商和电子产品组装厂在2001年已经完成了向无铅生产的工艺转换。2003年将是日本制造商完全实现无铅生产的另一个重要年份,根据计划,日本制造商将从2003年到2005年全面实现在电子整机和相关组装件中实现无铅的目标。到2010年,日本厂商计划只在极个别的产品领域容许有铅工艺,而到2015年,铅将被完全禁止使用。

欧洲电子电气设备指导法令(WEEE Directive)则规定到2006年7月1日,部分含铅电子设备的生产和进口将属非法,同时含铅电子产品也不得在欧盟区域生产和销售。欧洲在实现无铅电子制造上比日本在范围上更广,在时间进程上更紧迫。事实上,WEEE指导法令要求欧洲在2006年年底完全实现无铅电子制造。

相比之下,尽管美国政府还没有出台和日本、欧洲类似的有关电子废料回收和无铅生产的指导文件,但像NEMI这样的非官方组织,早已联合了美国主要的元器件、原始设备厂商、电子材料供应商和研究机构,并制定了在北美实现无铅生产的路线图。他们希望借此满足美国产品出口日本和欧洲市场的要求,同时也为美国政府出台相关的法案做好准备。电子制造商关注无铅生产技术发展趋势_Fevre: 实现无铅生产不仅仅是因为受政府法规的推动,还是可持续发展计划的重要组成部分_1

在中国,据有关人士透露,中国信息产业部将很快颁布一项《电子信息产品生产污染防治管理办法》,其中将逐步限制包括铅在内的6种有害物质在电子制造中使用,并最终在2006年7月1日开始全面禁止铅的使用。

无铅制造的方案和成本已趋合理

无铅制造的核心问题是用非铅系焊料代替沿用了数十年的锡/铅(63%/37%)焊料,并由此牵连了材料、PCB、元器件、SMT设备等各个生产制造环节。推行无铅生产的主要障碍除了技术和成本因素外,整个产业链的步调能否协调一致也是一大挑战。

世界领先的电子制造厂商们没有等到无铅生产技术完全成熟、以及制造成本下降到和传统工艺相同水平时才采取行动。例如日本松下电器不久前宣布,以Panasonic为品牌的12,000款消费电子和家用电器产品已经全面实现无铅化PCB生产。爱立信电源模块公司的Fevre也指出:“对我们来说,实现无铅生产不仅仅是因为受政府法规的推动,还是我们可持续发展计划的重要组成部分。从市场角度来看,世界领先的OEM今后将把无铅生产当作评审供应商的一个必要条件。大多数供应商将在2003年以后充分体会到这是大势所趋。”

不过,目前在无铅制造技术上还有一些悬而未决的问题,例如无铅焊料在器件管脚上形成的“晶须”可以造成焊接的可靠性问题。另外,从传统工艺转变为无铅工艺意味着波峰焊的峰值温度将从锡-铅的235摄氏度提升到锡-银或锡-银-铜合金的260摄氏度,平均温度升高25摄氏度,这容易导致塑封器件因高温和水汽吸收而爆裂。

为了应对这些问题,区域性的制造商联盟已经出现。例如,英飞凌、飞利浦和意法半导体这三家欧洲半导体制造商巨头在2001年提出了世界上第一个无铅元器件封装的建议标准。虽然在全球范围还缺乏一个对无铅制造质量和可靠性评估的国际标准,上述三家公司还是计划在2007年以前大规模推出和无铅电子制造兼容的元器件,他们还提出届时在其产品中相关材料中的铅含量将不超过0.1%。

在APEC 2002的相关电子制造国际会议上,一些元器件制造商所提供的数据表明,他们已经接近于用合理的成本来解决无铅工艺的技术问题。“目前部分无铅工艺元器件的价格可能比常规工艺元器件要贵大约15%。”Fevre指出,“因为对大多数供应商来说,要让它们同时供应无铅工艺元器件和常规工艺元器件是有困难的,这样做事实上增加了他们的成本,而一旦产品全部转换成无铅工艺元器件,价格一定会大大降低。”

无铅生产设备和焊料价格不断下降

和无铅生产有关的主要SMT设备是回流焊炉。BTU亚太区应用、工艺及培训经理Thomas Tong认为,目前对流式回流焊已经成为无铅焊接的标准工艺设备,技术也已经相对成熟。北京柏瑞安科技有限公司总经理杨同兴则指出,对于中国市场,国际SMT设备厂商已经开始进行设备的本地化生产,其中普及型的设备售价已经和中国本地制造设备的价格相当接近。目前,中国本地设备厂商的无铅回流焊炉(充氮)售价大约在40~50万人民币之间。

事实显示,无铅工艺设备的价格正在不断下降。“1995年这些用于无铅工艺的设备,主要是回流焊炉,其价格比普通设备要高出大约20%,而今天一些无铅工艺设备的价格可能只比普通设备多出约5%。”爱立信的Fevre说。

另外两个和无铅生产有关的设备是AOI和焊膏印刷机。欧姆龙AOI统辖部中国华东及华北区销售经理顾颖颢介绍说:“与常规铅-锡工艺制造的PCB不同,无铅PCB的焊锡表面比较粗糙、光泽较暗,同时当光源照射焊点时会产生漫反射,容易干扰检测结果。另一方面,无铅焊料的浸润性较差,这使得焊点的形状容易发生变化,因此AOI必须能够检测出焊点的不规则形变。”对此,欧姆龙在AOI业界首先推出了彩色高亮度技术,采用三色光源和不同的照射角度可以将焊点的三维形状用二维图像(色调信息)表示出来。配合先进的计算机算法,这种AOI设备可以对焊接质量进行有效的检测。据悉,欧姆龙的AOI已经广泛为日本制造商所采用,顾颖颢表示:“随着无铅生产不仅在日本,而且在世界其它地方逐渐成为一种潮流,适用于无铅生产的AOI设备将成为市场的主流。”

在焊膏印刷方面,DEK公司亚太区总经理Peland Koh说:“经过一定的工艺优化,大多数标准的焊膏印刷机可以支持无铅工艺生产。但一些研究显示,在印模孔径的宽长比较极端时,无铅焊膏的印刷效果不太理想,因此印模有可能要重新设计。” 他提醒说,针对不同厂家的焊膏,包括分离速度在内的一些设备参数要进行优化调整。

在无铅焊料方面,全球电子组装材料的最大供应商――美国确信电子(Cockson Electronics)公司已经和世界上主要的电子制造厂商就无铅焊料的应用展开了合作。该公司拥有铅焊料替代品方面的大量专利,目前已经可以为全球的生产厂商提供性价比合理的组装材料。确信电子在中国深圳等地共设有5家生产基地,该公司总裁Raymond Sharpe表示他们可以按照客户需求生产焊料。“目前确信电子在中国的工厂还主要是生产铅焊料,但如果客户有无铅焊料的需求,工厂也可以马上生产。” 他说。

国际市场需求推动中国制造商实施无铅生产电子制造商关注无铅生产技术发展趋势_Peland Koh:推动中国厂商实施无铅生产的主要动因将是市场因素_2

DEK公司的Peland Koh介绍了国际无铅焊接规划委员会的一项调查结果。该调查显示,制造商向无铅化生产迁移的原因有35%是迫于立法的压力;31%是受市场的驱动;18%是为了环境保护;而没有人认为实施无铅工艺是因为这个工艺本身有什么有利可图的优点。在中国,考虑到相关立法工作还刚刚起步,而本地消费者对环境保护的意识尚不如日本和欧美的消费者,预计推行无铅电子生产将会遇到更多困难。

“目前实现无铅生产对大多数中国电子制造商来说有相当的难度。虽然近几年无铅生产已经成为中国一些SMT电子制造行业协会的研讨会主题,并且厂商对此的了解和认知程度也已经和国际同行相当接近,但中国的元器件和PCB供应商对无铅生产的准备和意识仍相对较弱,有关无铅生产的一些具体技术问题和标准也没有在相关上下游企业中进行过有效的协调。”柏瑞安科技的杨同兴说。

北京电子学会表面安装技术专委会主任刘利吉也持相似的看法,他说:“目前国内在无铅化生产上领先的主要是少数为日本和欧洲厂商加工产品的PCB制造商,而中国电子制造业在整体上还没有准备好进行无铅化生产。”刘利吉还认为,中国没有像日本索尼那样超大规模的公司,可以自己包揽器件和电子材料生产、PCB组装和整机制造等各个环节,在这样的公司体制下,无铅化生产的实施比较容易推行。他同时警告说,如果中国制造商在无铅生产上不和国际接轨,他们将失去大量合同加工的订单,而整机产品出口到发达地区也将面临非关税性的技术贸易壁垒。

在元器件和PCB供应方面,中国本地厂商也可能和市场脱节,因为目前还没有一家本地元器件供应商可以大批量提供无铅元器件。江苏长电科技的一位高层官员透露,他们已经认识到问题的重要性,因为中国本地生产的元器件原本已经不能满足市场的要求,如果不能制造无铅元器件,中国制造商要实现大幅提高产品市场占有率的计划可能会落空。

对于无铅PCB生产,中国印制电路行业协会秘书长王龙基说:“中国大陆的PCB供应商整体上还没有把这件事提到议事日程上来,他们更多地还是观望整机厂在无铅生产上的举动,而中国大多数整机厂商似乎也还没有认真地关注无铅生产。”不过王龙基相信,中国的PCB供应商有相当的应变能力来适应未来无铅生产的要求,如果2006年是最后期限,他们中的大多数可以在半年到一年里完成相关的工艺改造。

Peland Koh对中国公司的观察可以反映出中国电子制造业在无铅生产上的现实处境。“多数中国的大型电子制造商都在打听并进而评估无铅生产的方方面面,他们对相关的技术颇有兴趣但对具体实施还抱观望的态度,好像他们都在进行准备以便应对未来的变局,而很多地方上的中小型电子制造商因为成本的原因根本就不打算实施无铅生产。”他说,“但另一方面,中国很多SMT产品都瞄准欧洲和美国市场,因此一旦无铅电子产品在国际上变成一个常规要求,中国制造商也只能跟进。看起来,在中国推动无铅生产的动因将主要是市场而非其它。”

作者:倪兆明

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