RoHS2.0指令对微电子封装材料的要求及对策
当前位置: 主页 > ROHS检测知识专题 > RoHS2.0指令对微电子封装材料的要求及对策

RoHS2.0指令对微电子封装材料的要求及对策

欧盟Ro HS2.0指令的正式实施,对我国电子产品地出口在控制有害物质和可持续发展方面提出了更高要求。本文简要阐述微电子封装材料作为电子产品中重要一环受到Ro HS2.0指令的影响,并提出微电子封装材料在今后发展面临的困境以及采取的应对策略,以减轻对电子行业的影响。

一、Ro HS2.0指令

欧盟Ro HS指令即欧洲议会及欧盟理事会关于在电子电器设备中限制使用某些有害物质的2002/95/EC号指令(Directive 2002/95/EC of the European Parliamentand of the Council on the Restriction of the Useof Certain Hazardous S u b s t a n c e s i n E l e c t r i c a l and Electronic Equipment)。2011年6月6日,欧盟委员会颁布新Ro HS指令,针对老指令的不足进行了一定的补充和修改。欧盟要求各成员国于2013年1月2日之前将指令转换为国内法并制定法规及相关罚则。指令(2011/65/EU)已经于2013年1月3日正式实施。与此同时,旧的Ro HS指令(2002/95/EC)同时废除。新指令简称Ro HS2.0指令[1] 。Ro HS指令规定,自2006年7月1日起禁止含有超过规定限量的铅、镉、汞、6价铬与多溴联苯和多溴二苯醚的6种有害物质的电子电气产品(有部分豁免)进入欧盟市场[2] 。Ro HS指令对这6种有害物质的最大含量进行了严格的控制,见表1。

Ro HS2.0指令也考虑到要增加限制物质,溴环十二烷、邻苯二甲酸二(乙基己基)酯(DEHP)、邻苯二甲酸丁基苯基酯(BBP)、邻苯二甲酸酯二丁基(DBP)等物质会增加人体健康和环境风险,因此,这些物质应被优先关注[1] 。不仅如此,Ro HS2.0指令对旧的指令中涉及的电子电气产品又进行了补充,从原来的8类产品增加到11类产品,分别为:大家电、小家电、IT和通讯类设备、消费类设备、照明设备、电子和电器工具、玩具休闲和运动器械、医疗设备、包括工业用监测和控制仪器的监控仪表、自动售货机和其他任何不在上述类别范围内的EEE。可以看到,上述的11类产品无论从构成还是功能的角度,微电子控制以及电子器件已经成为了产品的核心。而微电子封装作为电子产品的重要一环必然会受到新指令的严重影响,改进微电子封装技术和研制新型微电子封装材料势在必行。

表1 6种有害物质限量标准    下载原表

表1 6种有害物质限量标准

二、微电子封装材料

微电子封装所涉及的材料包括金属、陶瓷、玻璃、高分子材料等,金属主要用作电热传导材料,陶瓷与玻璃主要是陶瓷封装基板的主要成分,玻璃同时为重要的密封材料,塑料封装利用高分子树脂实现元器件与外壳的封装,高分子材料也是许多封装工艺的重要添加物。封装材料的选择主要是受到电子产品的用途、产品可靠性以及价格的影响。以金属材料为例,在微电子焊接工艺中,金属材料得到了广泛的应用。对于不同焊接的机械强度要求,所使用的焊接材料也是不一样的。在微连接技术中,一般来说,锡的含量越高,其焊接的机械强度越高,但是由于锡的价格较为昂贵,所以价格也会随之增高。

钎焊微电子焊接应用最为广泛的焊接技术,锡也就成了微电子封装的最主要材料材料之一。锡焊主要可以分为4类:铅(Pb)-锡(Sn)、Pb-Sn-银(Ag)、Pb-Sn-Sb以及其他铅锡合金。这4种焊接材料中均有Pb,而无论是Ro HS指令还是最新的Ro HS2.0指令,都对电子电气产品中铅的含量有了明确严格的限制。无论是简单的零部件焊接,还是大规模印刷电路板的管脚连接,甚至是精密的微型器件焊接,都离不开以Pb-Sn为基的二元系、三元系的合金钎料。然而Pb对环境的危害极大,由于Pb的沸点较低,在温度高的情况下极易造成挥发,挥发出来的铅蒸气在空气中可以被迅速氧化,随着空气的运动自由飘散,容易被幼儿吸收;电子产品中的铅受到酸雨的浸泡会溶出,这一过程可以简化成为电极反应。

起初铅表面与空气中的氧气反应生成一层氧化铅(Pb O)薄层,并被酸雨腐蚀,反应为:

 

当表面的氧化层被腐蚀后露出铅,Pb就会与酸雨中的H+发生化学反应。这时铅在水中将会是一个电化学过程,阳极反应为:

 

此时,铅以阳离子从金属表面(阳极)进入溶液,或形成难溶化合物留在金属表面[3] 。阴极反应为:


 

铅不仅对土壤和水源造成污染,而且对儿童的神经和机体的生长造成严重的影响。因此研制新型的无铅焊料,走绿色封装道路成为时代发展的必然趋势。

与此同时Ro HS2.0指令也对含卤产品进行了限制,在电子电气产品中多使用PBB以及PBDE作为阻燃剂成分,在材料中复合会大大提高材料的防火特性。但是由于其持久性、毒性以及生物积累性受到国际社会的广泛关注。其中Ro HS指令就对这2种物质进行了明确的限制。可见,Ro HS2.0指令名义上是对11类电子电气产品提出了严格的要求,实际上也是对微电子封装技术和封装材料提出了严格的要求。变革传统的封装技术、研制新型环保绿色封装材料是促进社会循环经济发展的必由之路。

三、Ro HS2.0指令对微电子封装材料的影响

从表1中可以看出,无论是Ro HS指令还是Ro HS2.0指令,对Pb、汞(Hg)等6种主要物质进行了严格的限制,而这6种物质均是电子电气产品不可避免引入的。由于锡铅焊料作为传统的焊料,凭借优质的物理性能一直占据着微电子焊接领域。首先SnPb二元合金的共晶点是183℃,焊接温度和持续时间相对来说比较低,适合大规模生产应用。其次,通过向SnPb二元合金中掺入其他金属可以有效地改进钎料的物理性能。向SnAg二元合金中掺入Ag制成Sn-PbAg钎料是行业中改善钎料性能的有效做法。Ag具有良好的导热和导电性能,这样掺入银以后可以增强焊接点的导热、导电性以及润湿性;Hg作为电子电器产品中电池阴极的保护物质,一直被广泛的应用;同时,镉镍电池凭借其良好的电能转换效率也被大量应用于电子电气产品;而PBB和PBDE由于是良好的阻燃材料,也被广泛应用于电子电器产品中,家电中常用的阻燃电线就是一个很好的例子。可见,Ro HS2.0指令无论是对于微电子封装材料还是电子产品的零部件材料都有着一定的影响,尤其是对于微电子封装材料,无铅焊料的研制就显得十分重要。

近年来,在国际立法的推动下,微电子封装材料向无铅化方向发展,无铅钎料成为当今研究的热点之一。那么什么是无铅钎料?一般来说,不含有铅的钎料可以称之为无铅钎料。但是无铅钎料以锡为基,铅以杂质的形式存在,用一般的冶金技术很难去除,因此无铅钎料中仍然含有微量的铅元素[3] 。对于无铅钎料的统一标准国际上还没有明确,无论是欧盟、日本还是美国,对电子组装中铅限量的标准各执一词。但是无论如何,必须明确的一点是,由于无铅钎料应满足微电子封装等工程应用,所以应具备一定的条件与性能。其条件与性能应该参照传统Sn-Pb二元合金的行业标准。故研发的无铅钎料的应该具有以下要求:

①与Sn-Pb二元合金的熔点接近,现有的封装焊接设备和工艺能够兼容;②其机械强度、耐热性以及导电性和Sn-Pb一样能够满足封测要求;③在焊接过程中能与焊盘上的金属层保持良好的润湿性,形成的焊点应满足要求;④取材便利,方便制造加工,应有一定的价格竞争力;⑤应是环境友好型材料,满足可持续发展的要求。

可以看出,无铅钎料的研发不是一件容易的事情。现有的无铅钎料主要有这6类:Sn-Ag-铋(Bi)、SnAg-Cu-Bi、Sn-Ag-Cu、Sn-AgBi-铟(In)、Sn-Ag-Cu-In、SnCu-Ag-Ga等几类合金[5] 。这6类钎料在抗疲劳性能上展现出强大的优势,相较于传统的63Sn/37Sn的疲劳寿命(N f),这6种多元合金的疲劳寿命会增加3~4倍,这会给传统的S n-P b合金带来巨大的市场压力。但是由于A u、I n、B i价格较为昂贵,Sn-Pb钎料在在中低端市场中仍占据着相当大的份额。而这几类钎料也只是在特殊用途的产品和高端产品中使用,所以节约成本,提升价格竞争力是无铅钎料面临的巨大挑战。

还有一点需要关注的是,与传统的Pb-Sn焊料相比,尽管无铅钎料有着良好的环境友好特性,但是决不能忽视在技术上的突出缺陷,那就是焊接的兼容性不够。与Sn-Pb二元合金相比,无铅钎料的熔点明显较高。所以使用无铅钎料焊接时需要较高的焊接温度和较长的焊接时间,印刷电路板及元件的耐热问题,塑封元件、电容器、LED、插线件之间的热兼容问题十分突出[6] 。设备的兼容性问题一直是无铅钎料的最大的问题之一。所以,尽管欧盟最新的Ro HS2.0指令对传统的微电子焊接在环境和人类健康的角度带来了巨大的冲击,但是在焊接的兼容性以及可执行性上无铝钎料与传统钎料相比还是有所差距,毕竟传统的Sn-Pb二元合金一直是焊接行业最可靠的焊接材料,至今还没有任何一种合金能够完全取代它的地位。无铅钎料的提出并不表示无铅钎料必将能够成为微电子焊接领域的主角,而是还需要不断进行技术创新,使得无铅钎料本身成为更好的技术选择。

四、结语

走无铅化道路应该是应对欧盟Ro HS指令和Ro HS2.0指令的最直接有效的对策。然而走无铅化道路不仅仅需要微电子封装行业的努力,更需要多部门多领域的共同协作。目前,无铅钎料主要应用于微电子封装行业中的焊接领域。但是无铅钎料并不能完全代表行业无铅化。电子产品中的无铅焊接技术是一门系统的工程。影响因素很多,涉及的内容包括元器件、PCB、钎焊设备、钎剂、工艺技术、检测标准、产品成本等。无铅钎料的应用需要工艺、设计、采购、制造以及质量管理等各个部门的合作[6] 。由于影响因素很多,存在的问题也很多,随着技术的发展遇到的困难更是层出不穷。目前来说应用比较多的无铅钎料是S n-A g-C u钎料膏、S n-0.7C u钎料条及钎料丝,这2种无铅钎料在微电子封装焊接中会出现一些技术问题,例如:S n-0.7Cu合金的熔点比传统Sn-Pb合金共晶点高44℃,且无铅钎料的润湿角偏大润湿性能比较差。再针对于三元合金Sn-Ag-Cu,由于Ag的价格较为昂贵且与Sn-Pb合金相比熔点偏高和焊接性能偏低等劣势,尽管应用前景不错,但还是需要克服很多技术上的难题。另外,无铅钎料焊点光洁度也会下降,焊盘有露Cu现象,个别元器件会发生位置上的偏移,焊点弯月面形成不佳且焊料的爬升度下降等问题也会出现[6]

尽管有这些技术问题,但是不可否认的是无铅钎料经过多年的研究已经取得了很大的进展。例如,研究表明,现有的无铅钎料在一定的条件下可以与印刷电路板材料兼容,现有的电子组装设备经过适当的改造以后也可以用于无铅电子组装,部分无铅钎料的力学性能以及焊点的耐热疲劳性能也由于或相当于Sn-Pb共晶钎料等。但是需要清楚地认识到,无铅钎料仍然不能从根本上解决电子产品对环境的污染问题,在资源保证及价格等若干方面,也存在着很多问题。即便电子钎料无铅化了,其他工业门类仍然使用含铅化的的钎料。电子钎料的无铅化并不能使所有钎料无铅化。在世界范围内,要彻底取代含铅钎料必须付出极其惨重的代价,并需要相当长的时间。除此之外为了满足最新的Ro HS2.0指令中对电器电子产品中6种有害物质的限量标准,以铅为例,铅污染的大源头还是传统的铅冶炼和铅产品加工制造行业、蓄电池行业。除非严格禁止对铅的冶炼和加工制造,否则要彻底消除铅对自然环境的污染和人体的危害将会是一番空话。

最后,仍然肯定的是,在国际尤其是欧盟Ro HS2.0指令的实施的形势下,为了满足中国企业的出口需要,在国际贸易中获得更大的豁免权,我国应该紧追国际无铅软钎焊的的科研步伐,积极开展相关无铅钎料质量与可靠性评定,并根据国际经济和环保形势变化适时地调整产量和品质,才能赢得更大的市场份额。与此同时,应该加大废旧电子电气产品回收和资源化力度,健全和完善环保法规、构建我国保护性的技术标准,这才是应对欧盟Ro HS2.0指令的最好对策[7]