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| 图2 需要转向新视点此前电子厂商一直在为无铅化等有害物质对策而奔忙。如今，绝大多数企业都已采取无铅化等有害物质对策。今后，为防止全球变暖而采取各种节能减排措施，将变得更加重要。焊锡技术的重点也应该从无铅化转向全球变暖对策。 |
在考虑与焊锡相关的全球变暖对策，即焊接工序的具体节能减排措施之前，让我们先回顾一下焊锡无铅化的发展历程。
目前作为标准无铅焊锡得到广泛应用的Sn-3Ag-0.5Cu，是2000年电子信息技术产业协会（JEITA）指定推荐的，从2001年前后起已被多数设备厂商正式采用。自采用之初起，人们就一直担心，其熔融温度高于Sn-Pb共晶焊锡会带来诸多弊端。一些人曾为能耗增加而担忧，但大多数人担心的却是电子部件能否耐热这一技术课题。
即便如此，JEITA仍将Sn-3Ag-0.5Cu指定为推荐无铅焊锡，并得到了广泛应用，原因是优先考虑了“可靠性”。作为无铅焊锡的候选，除Sn-Ag-Cu类外，还包括Sn-Cu类及Sn-Zn类等。除熔融温度外，这些候选在成本及焊接特性等方面均存在不同的优缺点（图3）。
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| 图3 各种无铅焊锡均存在优缺点图中介绍了典型的无铅焊锡Sn-Ag-Cu类、Sn-Cu类及Sn-Zn类的特性。雷达图对无铅焊锡和Sn-Pb共晶焊锡进行了比较。数值越大，说明特性越出色。从中可以看出各种无铅焊锡均有优缺点。如Sn-Ag-Cu类的缺点是熔点及价格较高，但耐热疲劳性及机械强度等接合特性出色。（图：本刊根据“三洋电机技报 VOL.34 NO.2 DEC.2002”对雷达图进行了部分修改） |
其中，Sn-3Ag-0.5Cu（图4）注2）的熔融温度较高，但焊接特性最为出色，“无铅化时导致的焊接可靠性降低问题”较少。对焊接技术十分熟悉的大阪大学教授、产业科学研究所产业科学纳米技术中心主任菅沼克昭表示，“在无铅化第一阶段，Sn-3Ag-0.5Cu不失为一种妥当的选择”。
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| 图4 强度出色的Sn-3Ag-0.5Cu JEITA提供的无铅焊锡接合可靠性评价范例。对分别采用Sn-3Ag-0.5Cu和Sn-Pb共晶焊锡技术焊接的连接器，进行了扭矩强度和侧向挤压强度测定（a，b）。图中显示了初始状态和1000个周期以后的强度变化。Sn-3Ag-0.5Cu的两种强度都比较高。（图：本刊根据JEITA的资料进行了部分修改） |
注2）可靠性评价企业ESPEC TEST CENTER表示，“此前一直没有发现无铅焊锡自身所引发的问题”（该公司董事兼横滨R&D中心主任高桥邦明）。“发生问题时，原因可能是没有根据无铅焊锡的特性进行设计”（高桥）。
Ag价格攀升导致无铅焊锡发展偏离路线图
JEITA最初计划的无铅焊锡路线图为：“首先通过焊接可靠性较高的Sn-3Ag-0.5Cu渡过无铅化难关，然后过渡至熔点较低的Sn-Zn类‘低温焊锡’”。
但是，从现状来看，无铅焊锡的发展已开始偏离这一蓝图。其原因是，在封装现场，对低温焊锡的技术需求降低。多家电子厂商的技术人员这样说：“与无铅化之初相比，部件的耐热性已逐步提高，焊接设备的性能也获得改善，因此，溶融温度高不再成为问题。而且，各企业投资更新的设备，不可能立即改为需要花费新成本及工时的其他类型的无铅焊锡”。在封装现场，更是把Sn-Ag-Cu类视为“理想选择”。如今，部件耐热性等技术课题日益减少，封装现场所关心的问题已经不是如何降低熔融温度，而是如何降低成本（图5）。
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| 图5 当前的课题是降低材料价格无铅化之初，曾将Sn-Zn等“低温焊锡”视为继Sn-3Ag-0.5Cu之后的第二代无铅焊锡。但实际上，Ag含量低于Sn-3Ag-0.5Cu的Sn-1Ag-0.7Cu及Sn-0.3Ag-0.7Cu等组成的焊锡逐渐被定位为第二代无铅焊锡，多家企业目前都在考虑采用这些技术（a）。厂商希望通过减少高价Ag的含量，降低材料价格。实际上，即使Ag的含量只减少一点点，也会对降低材料价格产生明显效果（b）。 |
Sn-3Ag-0.5Cu原本就比Sn-Pb共晶焊锡的材料价格要高，这几年随着银（Ag）的价格不断攀升，与Sn-Pb共晶焊锡的价格差也日益扩大。因此，Sn-1Ag-0.7Cu及Sn-0.3Ag-0.7Cu等，含银量低于Sn-3Ag-0.5Cu的“低银焊锡”逐渐被定位为第二代无铅焊锡，目前多家设备厂商都在考虑采用这些技术 注2）。
需要从宏观考虑对策
这些低银焊锡的熔融温度其实比Sn-3Ag-0.5Cu更高。作为当前的对策，降低成本当然必不可少，但如果对全球变暖对策产生负面影响的话，就不能称之为最佳选择。立足长远寻求解决方案而非采取权宜之计，同样十分重要。
专门研究环境科学的日本东京大学名誉教授、联合国大学名誉副校长安井至发表了某种意义上略显偏激的看法，他认为继续使用Sn-Pb共晶焊锡才是上策。安井表示，“原本的环境对策关键，是希望将总体环境的污染变得最小化。焊锡无铅化本身并不能减少多少环境污染负荷。倒不如说，由于采用熔融温度较高的无铅焊锡，环境污染的总体负荷反而有可能增大。我个人的看法是，RoHS指令早晚应该取消”注3）。
注3）比如，对铅的毒性风险以及无铅化导致的全球变暖风险等不同环境指标进行定量比较的研究，目前还没有取得明显进展。“指标完全不同，所以比较起来非常困难。不过，今后应该致力于这方面的评价”（某研究调查公司）。
不只是安井，许多专家及技术人员都认为，使总体环境污染最小化的观点是正确的。正如焊锡无铅化一样，优先采取某些对策会对其他部分产生负面影响，电子厂商今后在各种环保对策中都有可能面临这种如同“打地鼠（Mogura Shock）”游戏般的此涨彼消现象。为了实现总体环境污染最小化目的，应该以何种优先顺序、以何种平衡的比率采取有害物质对策、全球变暖对策及节约资源对策等各项环保措施，在这方面未雨绸缪、集思广益，将变得更为重要（图6）。
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| 图6 重要的是从总体上实现环境污染的最小化关于环保问题，当致力于某项课题并设法改善时，很多情况下会造成其他指标降低。为了实现总体环境污染的最小化，应考虑以何种优先顺序、以何种平衡比率来采取各项环保对策，今后这一点将变得更为重要。 |
但是为了节能而继续使用Sn-Pb共晶焊锡的做法是不现实的。其原因是，既然RoHS指令这一法规已经出台，就必须致力于无铅化。电子厂商真正应该推进的目标是，在无铅化前提下，实现焊接工序的节能化。
为此，可采取的措施大致分为两种。①采用低温焊接材料；②改进包括设备等在内的外延技术（图7）。第①项的目的是让升高了的封装温度再次降低，属于根本对策，但目前仍然存在许多技术问题，所以需要较长的时间开发完善 注4）。在等待第①项措施完善的现阶段，②是一种非常有效的方法。
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| 图7 可采取两种方法过渡到无铅焊锡之后，制造产品时使用的能耗增加，为了降低能耗，可采取的方法大致分为两种。①使用低温接合材料；②改进包括设备等在内的外围技术。另外，还有人建议采用Sn-Pb共晶焊锡技术。要采用这些方法，仍有很多问题需要解决。 |
注4）低温接合技术的开发不只是为了实现节能化，将来还有望成为“有机电子时代”所需要的候选接合技术。柔性产品需要使用耐热性较差的树脂底板等，因此低温条件下的封装必不可少。
存在难题的Sn-Zn类焊锡
首先，作为第①项措施中的低温焊接材料，会使人想到最初JEITA计划中定位为第二代无铅焊锡的Sn-Zn类等低温焊锡。Sn-Zn类焊锡的熔融温度比较低，仅为＋198℃左右，而且使用锌（Zn）这种廉价材料，因此，在典型的无铅焊锡组成中，具有成本最低这一优点（图5b）。难怪最初人们将其视为无铅焊锡的“最佳选择”。
但是，Sn-Zn类焊锡的附着性较差，而且锌是一种容易在空气中氧化的金属，因此很难任意使用，未能推广。以前NEC曾将其全面用于个人电脑，但“从2006年中期起，除部分机型外，都改成了Sn-Ag-Cu类焊锡”（该公司）注5）。
注5）NEC就该原因表示，“电子部件的耐热性提高了”。不过，据笔者推测，改为成本较高的Sn-Ag-Cu类焊锡的原因还在于应用等方面存在一些问题。
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| 图8 积层陶瓷电容器不宜采用Sn-Zn类焊锡 Sn-Zn类焊锡的一大课题是，用于封装积层陶瓷电容器时，会发生绝缘电阻劣化的现象。据JEITA推测，其原因可能是，焊锡中的Zn成分进入积层陶瓷电容器的镀镍层内，导致镍层劣化，此外，图中所示的因素也会导致劣化。不过，由于各厂商的积层陶瓷电容器的结构及材料不同，这种劣化因素并不适用于所有情况。（图：本刊根据JEITA资料绘制） |
注6）并不是所有的积层陶瓷电容器都会发生这种问题，会发生和不会发生的电容器均存在。“积层陶瓷电容器就像需要大量生产的设备产业一样。需要进行大规模投资，所以目前的现状是，即使电容器发生问题，也不可能立即修改性能指标”（多位业界相关人士）。
期待导电性粘合剂的进步
第①项措施中的低温焊接材料的候选项不仅限于Sn-Zn类等低温焊锡。导电性粘合剂也是候选技术之一 注7）。这种粘合剂的耐热性很高，可在＋300℃左右的高温条件下保持粘合性能，因此多用于车载设备等。该粘合剂还具有可在＋150℃左右低温下完成封装的特点。因此，作为可对固体摄影元件及液晶面板等非耐高温部件进行高密度封装的接合技术而备受期待 注3）。某大型电机厂商的封装部门表示，“此前，我们只设立了焊锡技术研发小组，最近还成立了致力于导电性粘合剂等新型接合方式的研发小组”。很多开发似乎都在悄然进行之中。
注7）从严格意义上来说，要阐述节能化，还必须考虑接合材料不同造成的封装时间差异，但此处仅以封装温度差异为重点介绍了候选技术。
一般情况下，导电性粘合剂是起导电作用的金属（一般为银填料）和起固定作用的环氧树脂混合后形成的。其材料构成可实现低温封装并具有高耐热性，但同时也存在难以作为通用接合技术得到广泛应用的问题。比如，由于含银，除了价格昂贵之外，还存在银离子迁移（Ion Migration）造成的短路以及镀银和镀锡反应造成的喷镀界面腐蚀等问题。虽然人们一直在尝试解决这些问题，但“目前仍难以作为焊锡的替代技术”（多位业界人士）。
不过，导电性粘合剂“与金属材料的焊锡不同，在研发过程中，其性能很可能会得到大幅提高”（某电子厂商技术人员）。最近，概念上与原来不同的导电性粘合剂开始问世。比如，松下电工开发的粘合剂便是其中之一。与原来通过接触银填料实现导通的导电性粘合剂不同，在环氧树脂中，金属可像焊锡一样熔接而实现导通（图9）。其特点是“可发挥较高的粘合性、出色的电气可靠性及热传导性”（该公司）注8）。由于不使用银，还具有成本低于普通导电性粘合剂的优点。
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| 图9 兼具焊锡接合特性的导电性粘合剂松下电工开发出了通过焊锡之类的金属熔接实现导通的导电性粘合剂（a）。首先，金属在液体环氧树脂中熔融，形成金属接合结构。然后，原来呈液体状态的环氧树脂逐渐硬化。封装温度为150℃。兼具类似于焊锡的电气特性，以及可在低温下完成封装的导电性粘合剂的特点。原来的导电性粘合剂通过与环氧树脂中含有的银填料接触实现导通（b）。此次不使用银填料，因此无需担心原来的导电性粘合剂所存在的问题——银离子迁移。可通过一次加热，实现金属熔接以及粘合剂环氧树脂的硬化（c）。（图：本刊根据松田电工的资料绘制） |
注8）松下电工并未公开环氧树脂中的金属种类。08年1月宣布开发出该技术之后，“前来洽谈的厂商非常多”（该公司）。目前，正在听取用户的要求，“不久以后就会”达到实用水平（同社）。
首先从降低设备功耗做起
可实现焊接工序节能化的另一方法是②改进包括设备等在内的外延技术。通过在其他方面节能减排，可抵消熔融温度上升造成的能耗增加部分。其中，估计不久以后便可实现的是焊接设备的低功耗化。有意实现焊接设备节能化的厂商纷纷开始关注设备的低功耗化，目前，千住金属工业及田村制作所等设备厂商都在开发低功耗型设备。“详情还不便公开，因为用户提出了要求，所以目前正在致力于低功耗型设备的开发”（千住金属工业）。在设备厂商中，索尼“目前正在考虑引进节能型焊接设备”（索尼公关中心）。
除了降低焊接设备的功耗之外，其他措施还包括减少焊接点等从设计上加以改进。如果能率先改进第②项措施中的外延技术，等到以后使用第①项措施中的低温接合材料时，便可进一步实现节能。（转自技术在线）
