RoHS2.0指令對微電子封裝材料的要求及對策

歐盟RoHS2.0指令的正式實施，對我國電子產(chǎn)品地出口在控制有害物質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展方面提出了更高要求。本文簡要闡述微電子封裝材料作為電子產(chǎn)品中重要一環(huán)受到RoHS2.0指令的影響，并提出微電子封裝材料在今后發(fā)展面臨的困境以及采取的應(yīng)對策略，以減輕對電子行業(yè)的影響。

一、RoHS2.0指令

歐盟RoHS指令即歐洲議會及歐盟理事會關(guān)于在電子電器設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)的2002/95/EC號指令（Directive 2002/95/EC of the European Parliamentand of the Council on theRestriction of theUseofCertainHazardous S u b s t a n c e s i n E l e c t r i c a l andElectronicEquipment）。2011年6月6日，歐盟委員會頒布新RoHS指令，針對老指令的不足進行了一定的補充和修改。歐盟要求各成員國于2013年1月2日之前將指令轉(zhuǎn)換為國內(nèi)法并制定法規(guī)及相關(guān)罰則。指令（2011/65/EU）已經(jīng)于2013年1月3日正式實施。與此同時，舊的RoHS指令（2002/95/EC）同時廢除。新指令簡稱RoHS2.0指令[1]。RoHS指令規(guī)定，自2006年7月1日起禁止含有超過規(guī)定限量的鉛、鎘、汞、6價鉻與多溴聯(lián)苯和多溴二苯醚的6種有害物質(zhì)的電子電氣產(chǎn)品（有部分豁免）進入歐盟市場[2]。RoHS指令對這6種有害物質(zhì)的最大含量進行了嚴格的控制，見表1。

RoHS2.0指令也考慮到要增加限制物質(zhì)，溴環(huán)十二烷、鄰苯二甲酸二（乙基己基）酯（DEHP）、鄰苯二甲酸丁基苯基酯（BBP）、鄰苯二甲酸酯二丁基（DBP）等物質(zhì)會增加人體健康和環(huán)境風(fēng)險，因此，這些物質(zhì)應(yīng)被優(yōu)先關(guān)注[1]。不僅如此，RoHS2.0指令對舊的指令中涉及的電子電氣產(chǎn)品又進行了補充，從原來的8類產(chǎn)品增加到11類產(chǎn)品，分別為：大家電、小家電、IT和通訊類設(shè)備、消費類設(shè)備、照明設(shè)備、電子和電器工具、玩具休閑和運動器械、醫(yī)療設(shè)備、包括工業(yè)用監(jiān)測和控制儀器的監(jiān)控儀表、自動售貨機和其他任何不在上述類別范圍內(nèi)的EEE?？梢钥吹剑鲜龅?1類產(chǎn)品無論從構(gòu)成還是功能的角度，微電子控制以及電子器件已經(jīng)成為了產(chǎn)品的核心。而微電子封裝作為電子產(chǎn)品的重要一環(huán)必然會受到新指令的嚴重影響，改進微電子封裝技術(shù)和研制新型微電子封裝材料勢在必行。

二、微電子封裝材料

微電子封裝所涉及的材料包括金屬、陶瓷、玻璃、高分子材料等，金屬主要用作電熱傳導(dǎo)材料，陶瓷與玻璃主要是陶瓷封裝基板的主要成分，玻璃同時為重要的密封材料，塑料封裝利用高分子樹脂實現(xiàn)元器件與外殼的封裝，高分子材料也是許多封裝工藝的重要添加物。封裝材料的選擇主要是受到電子產(chǎn)品的用途、產(chǎn)品可靠性以及價格的影響。以金屬材料為例，在微電子焊接工藝中，金屬材料得到了廣泛的應(yīng)用。對于不同焊接的機械強度要求，所使用的焊接材料也是不一樣的。在微連接技術(shù)中，一般來說，錫的含量越高，其焊接的機械強度越高，但是由于錫的價格較為昂貴，所以價格也會隨之增高。

釬焊微電子焊接應(yīng)用最為廣泛的焊接技術(shù)，錫也就成了微電子封裝的最主要材料材料之一。錫焊主要可以分為4類：鉛（Pb）-錫（Sn）、Pb-Sn-銀（Ag）、Pb-Sn-Sb以及其他鉛錫合金。這4種焊接材料中均有Pb，而無論是RoHS指令還是最新的RoHS2.0指令，都對電子電氣產(chǎn)品中鉛的含量有了明確嚴格的限制。無論是簡單的零部件焊接，還是大規(guī)模印刷電路板的管腳連接，甚至是精密的微型器件焊接，都離不開以Pb-Sn為基的二元系、三元系的合金釬料。然而Pb對環(huán)境的危害極大，由于Pb的沸點較低，在溫度高的情況下極易造成揮發(fā)，揮發(fā)出來的鉛蒸氣在空氣中可以被迅速氧化，隨著空氣的運動自由飄散，容易被幼兒吸收；電子產(chǎn)品中的鉛受到酸雨的浸泡會溶出，這一過程可以簡化成為電極反應(yīng)。

起初鉛表面與空氣中的氧氣反應(yīng)生成一層氧化鉛（PbO）薄層，并被酸雨腐蝕，反應(yīng)為：

當(dāng)表面的氧化層被腐蝕后露出鉛，Pb就會與酸雨中的H+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這時鉛在水中將會是一個電化學(xué)過程，陽極反應(yīng)為：

此時，鉛以陽離子從金屬表面（陽極）進入溶液，或形成難溶化合物留在金屬表面[3]。陰極反應(yīng)為：

鉛不僅對土壤和水源造成污染，而且對兒童的神經(jīng)和機體的生長造成嚴重的影響。因此研制新型的無鉛焊料，走綠色封裝道路成為時代發(fā)展的必然趨勢。

與此同時RoHS2.0指令也對含鹵產(chǎn)品進行了限制，在電子電氣產(chǎn)品中多使用PBB以及PBDE作為阻燃劑成分，在材料中復(fù)合會大大提高材料的防火特性。但是由于其持久性、毒性以及生物積累性受到國際社會的廣泛關(guān)注。其中RoHS指令就對這2種物質(zhì)進行了明確的限制?？梢?，RoHS2.0指令名義上是對11類電子電氣產(chǎn)品提出了嚴格的要求，實際上也是對微電子封裝技術(shù)和封裝材料提出了嚴格的要求。變革傳統(tǒng)的封裝技術(shù)、研制新型環(huán)保綠色封裝材料是促進社會循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的必由之路。

三、RoHS2.0指令對微電子封裝材料的影響

從表1中可以看出，無論是RoHS指令還是RoHS2.0指令，對Pb、汞（Hg）等6種主要物質(zhì)進行了嚴格的限制，而這6種物質(zhì)均是電子電氣產(chǎn)品不可避免引入的。由于錫鉛焊料作為傳統(tǒng)的焊料，憑借優(yōu)質(zhì)的物理性能一直占據(jù)著微電子焊接領(lǐng)域。首先SnPb二元合金的共晶點是183℃，焊接溫度和持續(xù)時間相對來說比較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。其次，通過向SnPb二元合金中摻入其他金屬可以有效地改進釬料的物理性能。向SnAg二元合金中摻入Ag制成Sn-PbAg釬料是行業(yè)中改善釬料性能的有效做法。Ag具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，這樣摻入銀以后可以增強焊接點的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性以及潤濕性；Hg作為電子電器產(chǎn)品中電池陰極的保護物質(zhì)，一直被廣泛的應(yīng)用；同時，鎘鎳電池憑借其良好的電能轉(zhuǎn)換效率也被大量應(yīng)用于電子電氣產(chǎn)品；而PBB和PBDE由于是良好的阻燃材料，也被廣泛應(yīng)用于電子電器產(chǎn)品中，家電中常用的阻燃電線就是一個很好的例子。可見，RoHS2.0指令無論是對于微電子封裝材料還是電子產(chǎn)品的零部件材料都有著一定的影響，尤其是對于微電子封裝材料，無鉛焊料的研制就顯得十分重要。

近年來，在國際立法的推動下，微電子封裝材料向無鉛化方向發(fā)展，無鉛釬料成為當(dāng)今研究的熱點之一。那么什么是無鉛釬料？一般來說，不含有鉛的釬料可以稱之為無鉛釬料。但是無鉛釬料以錫為基，鉛以雜質(zhì)的形式存在，用一般的冶金技術(shù)很難去除，因此無鉛釬料中仍然含有微量的鉛元素[3]。對于無鉛釬料的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)國際上還沒有明確，無論是歐盟、日本還是美國，對電子組裝中鉛限量的標(biāo)準(zhǔn)各執(zhí)一詞。但是無論如何，必須明確的一點是，由于無鉛釬料應(yīng)滿足微電子封裝等工程應(yīng)用，所以應(yīng)具備一定的條件與性能。其條件與性能應(yīng)該參照傳統(tǒng)Sn-Pb二元合金的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。故研發(fā)的無鉛釬料的應(yīng)該具有以下要求：

①與Sn-Pb二元合金的熔點接近，現(xiàn)有的封裝焊接設(shè)備和工藝能夠兼容；②其機械強度、耐熱性以及導(dǎo)電性和Sn-Pb一樣能夠滿足封測要求；③在焊接過程中能與焊盤上的金屬層保持良好的潤濕性，形成的焊點應(yīng)滿足要求；④取材便利，方便制造加工，應(yīng)有一定的價格競爭力；⑤應(yīng)是環(huán)境友好型材料，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。

可以看出，無鉛釬料的研發(fā)不是一件容易的事情?，F(xiàn)有的無鉛釬料主要有這6類：Sn-Ag-鉍（Bi）、SnAg-Cu-Bi、Sn-Ag-Cu、Sn-AgBi-銦（In）、Sn-Ag-Cu-In、SnCu-Ag-Ga等幾類合金[5]。這6類釬料在抗疲勞性能上展現(xiàn)出強大的優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)的63Sn/37Sn的疲勞壽命（Nf），這6種多元合金的疲勞壽命會增加3～4倍，這會給傳統(tǒng)的Sn-Pb合金帶來巨大的市場壓力。但是由于Au、In、Bi價格較為昂貴，Sn-Pb釬料在在中低端市場中仍占據(jù)著相當(dāng)大的份額。而這幾類釬料也只是在特殊用途的產(chǎn)品和高端產(chǎn)品中使用，所以節(jié)約成本，提升價格競爭力是無鉛釬料面臨的巨大挑戰(zhàn)。

還有一點需要關(guān)注的是，與傳統(tǒng)的Pb-Sn焊料相比，盡管無鉛釬料有著良好的環(huán)境友好特性，但是決不能忽視在技術(shù)上的突出缺陷，那就是焊接的兼容性不夠。與Sn-Pb二元合金相比，無鉛釬料的熔點明顯較高。所以使用無鉛釬料焊接時需要較高的焊接溫度和較長的焊接時間，印刷電路板及元件的耐熱問題，塑封元件、電容器、LED、插線件之間的熱兼容問題十分突出[6]。設(shè)備的兼容性問題一直是無鉛釬料的最大的問題之一。所以，盡管歐盟最新的RoHS2.0指令對傳統(tǒng)的微電子焊接在環(huán)境和人類健康的角度帶來了巨大的沖擊，但是在焊接的兼容性以及可執(zhí)行性上無鋁釬料與傳統(tǒng)釬料相比還是有所差距，畢竟傳統(tǒng)的Sn-Pb二元合金一直是焊接行業(yè)最可靠的焊接材料，至今還沒有任何一種合金能夠完全取代它的地位。無鉛釬料的提出并不表示無鉛釬料必將能夠成為微電子焊接領(lǐng)域的主角，而是還需要不斷進行技術(shù)創(chuàng)新，使得無鉛釬料本身成為更好的技術(shù)選擇。

四、結(jié)語

走無鉛化道路應(yīng)該是應(yīng)對歐盟RoHS指令和RoHS2.0指令的最直接有效的對策。然而走無鉛化道路不僅僅需要微電子封裝行業(yè)的努力，更需要多部門多領(lǐng)域的共同協(xié)作。目前，無鉛釬料主要應(yīng)用于微電子封裝行業(yè)中的焊接領(lǐng)域。但是無鉛釬料并不能完全代表行業(yè)無鉛化。電子產(chǎn)品中的無鉛焊接技術(shù)是一門系統(tǒng)的工程。影響因素很多，涉及的內(nèi)容包括元器件、PCB、釬焊設(shè)備、釬劑、工藝技術(shù)、檢測標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品成本等。無鉛釬料的應(yīng)用需要工藝、設(shè)計、采購、制造以及質(zhì)量管理等各個部門的合作[6]。由于影響因素很多，存在的問題也很多，隨著技術(shù)的發(fā)展遇到的困難更是層出不窮。目前來說應(yīng)用比較多的無鉛釬料是Sn-Ag-Cu釬料膏、Sn-0.7Cu釬料條及釬料絲，這2種無鉛釬料在微電子封裝焊接中會出現(xiàn)一些技術(shù)問題，例如：Sn-0.7Cu合金的熔點比傳統(tǒng)Sn-Pb合金共晶點高44℃，且無鉛釬料的潤濕角偏大潤濕性能比較差。再針對于三元合金Sn-Ag-Cu，由于Ag的價格較為昂貴且與Sn-Pb合金相比熔點偏高和焊接性能偏低等劣勢，盡管應(yīng)用前景不錯，但還是需要克服很多技術(shù)上的難題。另外，無鉛釬料焊點光潔度也會下降，焊盤有露Cu現(xiàn)象，個別元器件會發(fā)生位置上的偏移，焊點彎月面形成不佳且焊料的爬升度下降等問題也會出現(xiàn)[6]。

盡管有這些技術(shù)問題，但是不可否認的是無鉛釬料經(jīng)過多年的研究已經(jīng)取得了很大的進展。例如，研究表明，現(xiàn)有的無鉛釬料在一定的條件下可以與印刷電路板材料兼容，現(xiàn)有的電子組裝設(shè)備經(jīng)過適當(dāng)?shù)母脑煲院笠部梢杂糜跓o鉛電子組裝，部分無鉛釬料的力學(xué)性能以及焊點的耐熱疲勞性能也由于或相當(dāng)于Sn-Pb共晶釬料等。但是需要清楚地認識到，無鉛釬料仍然不能從根本上解決電子產(chǎn)品對環(huán)境的污染問題，在資源保證及價格等若干方面，也存在著很多問題。即便電子釬料無鉛化了，其他工業(yè)門類仍然使用含鉛化的的釬料。電子釬料的無鉛化并不能使所有釬料無鉛化。在世界范圍內(nèi)，要徹底取代含鉛釬料必須付出極其慘重的代價，并需要相當(dāng)長的時間。除此之外為了滿足最新的RoHS2.0指令中對電器電子產(chǎn)品中6種有害物質(zhì)的限量標(biāo)準(zhǔn)，以鉛為例，鉛污染的大源頭還是傳統(tǒng)的鉛冶煉和鉛產(chǎn)品加工制造行業(yè)、蓄電池行業(yè)。除非嚴格禁止對鉛的冶煉和加工制造，否則要徹底消除鉛對自然環(huán)境的污染和人體的危害將會是一番空話。

最后，仍然肯定的是，在國際尤其是歐盟RoHS2.0指令的實施的形勢下，為了滿足中國企業(yè)的出口需要，在國際貿(mào)易中獲得更大的豁免權(quán)，我國應(yīng)該緊追國際無鉛軟釬焊的的科研步伐，積極開展相關(guān)無鉛釬料質(zhì)量與可靠性評定，并根據(jù)國際經(jīng)濟和環(huán)保形勢變化適時地調(diào)整產(chǎn)量和品質(zhì)，才能贏得更大的市場份額。與此同時，應(yīng)該加大廢舊電子電氣產(chǎn)品回收和資源化力度，健全和完善環(huán)保法規(guī)、構(gòu)建我國保護性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這才是應(yīng)對歐盟RoHS2.0指令的最好對策[7]。

參考文獻

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