【前言】： 在电子制造业，将金属铅用作低温焊料已有多年的历史。其优点在于铅锡合金可在较低温度下熔化，而且铅的储量丰富、价格便宜。但随着人们环保意识日益增强，作为污染土壤和地表水的潜在因素，业界对铅的使用限制愈来愈多。尽管电子行业所用的铅占不到世界铅耗量的1%，但由于该行业所废弃的焊接件占废弃铅元素比例迅速增加，因此表面贴装业的无铅化也成为一项迫切的课题。本期专题特写就让我们一起关注电子制造业无铅化进程的一些相关问题。 ——本刊记者：亚楠 ★新闻背景★ [美国]：早在90年代初，美国就率先提出了无铅工艺率并制定了一个标准来限制产品中的铅含量，但由于当时无铅工艺还不成熟，加上这样做会加大厂商的制造成本，所以标准最终未能执行。但无铅工艺的发展没有停滞，制造商仍在积极探讨，要在材料、回流焊温度、PCB、装配过程和检测等方面制定统一的标准。目前尚未有类似的法律提案，不过有大量贸易组织已在积极准备让其成员遵守这一规定。 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式，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。目前日本已采取了行动，要求各公司在产品上标明含铅量，这将使该国的制造商自动地废除铅的使用。 [欧盟]：现在已出台的无铅化法规包括两个规定，即有害物质使用限制(RoHS)和2000版废弃电子电气设备指南(WEEE)。两个规定均对2006年以前销往或回收到欧洲的电子产品含铅量进行了严格限制。 欧洲电子电气设备指导法令(WEEE Directive)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。 [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。 ★市场现状★ 国际无铅焊接规划委员会的一项调查结果显示，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。 柏瑞安科技的杨同兴说：“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。“ 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。 而在元器件和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，可以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。 ★企业实施过程中存在的问题★ 【采购问题】： 身为NEMI（National Electronics Manufacturing Initiative）无铅元件小组的成员之一的McDermott表示，在无铅化进程中，采购所面临的挑战尤其严重。他说：“目前正处于一个快速过渡阶段，因此在采购部件时我们必须比过去更加注意部件改变通知及废除管理等事宜。采购过程仍然一样，但与以往相比，购买尾货的情况将更加频繁。”具体而言，这意味着采购部门在购买替代元件时除了要考虑某一部件是否符合性能和尺寸规范外，还必须考虑更多其它的问题。 Sanmina-SCI负责EMS业务的高级经理Eamon O'Keefe持类似的观点，他举例说：“除非制定出明白无误的有关无铅物料的入库检验标准，否则整个业界可能得花上好几年的时间才能真正解决无铅生产的问题。“ 天泓公司技术小组的顾问工程师兼无铅小组成员Thilo Sack也表示：“采购人员不能再仅仅考虑外形及功能等问题，因为他们必须真正了解这些新元件是否满足客户要求、是否符合法律规定。产品定制正是因此而产生的。我们无法再简单地将那些部件作为商品来对待。采购人员必须区分了解和处理这些部件，这是他们以前没有做过的。这些产品不再是'货架式产品'了。“ 因此，EMS的无铅小组必须与公司的采购人员紧密合作，确保他们在采购无铅元件时了解到所有必要信息。 McDermott指出，除了“这一部件是否满足RoHS/WEEE法规“这些显而易见的信息之外，采购商还必须知道对于无铅元件是否有其它额外要求，以及这一部件的物理参数是否有所改变。 还有一些应用并不受无铅法规约束，如汽车、医疗、军事/航空以及电信基础设施，这些都是采购及常用产品管理队伍必须应对的事情，也因此增加了采购过程的复杂性。 【价格与成本】： 关于成本，飞利浦半导体全球供应改进经理Andrew Whittard认为：“虽然目前无铅产品的成本较传统产品稍高一点，但我们会尽量把增加的部分吸收掉而不是让客户来承担。因此，客户将不会看到因为向无铅生产转移而造成半导体器件价格上涨。另外，客户也不必担心器件的可靠性，我们在技术上已经可以保证无铅器件和常规器件一样具有较高的可靠性。对BGA产品来说，技术兼容性限制较多，因此在过渡时期，市场上可能同时会出现几种无铅产品。” 国巨公司全球市场行销副总裁杨维廉(Jan Willem Vogel) 认为在过渡阶段，制造商因为要同时储备无铅和有铅两种物流，同时新的无铅生产工艺也需要一定的时间才能稳定并具有成本效益，因此制造商们一开始会感到成本的压力。“不过，随着所有产品都向无铅迁移，大规模的生产终将抵消初始的成本上升。“他说。 【技术问题】： 在生产方面，技术问题主要包括两个： 第一，是元器件的无铅电镀 。元器件的无铅电镀是贴装行业实现无铅化的首要条件，也是贴装企业对元器件供应商的迫切要求。由于无铅电镀和含铅电镀的工艺基本是一样的，故电镀的无铅化难度相比贴装无铅化要简单一些，关键是要选择适当的替代合金，使镀层质量和使用性能能够满足焊接要求。镀层质量是指电镀不产生晶须、表面光泽好、与镍层结合牢固。使用性能包括：湿润性(润湿角、一定温度下的润湿时间)、与焊料接合强度、回流焊后的气孔、抗老化性能等。目前比较成功的无铅电镀合金有两种：美国开发的Ni-Sn系统和日本开发的Cu-Sn 系统，基本满足了上述镀层质量和使用性能要求。大量实验表明，当采用传统的铅锡焊料时，这些新镀层的使用性能与Pb-Sn镀层不相上下；但当改用无铅焊料时，必须把回流焊温度提高到260℃才能达到Pb-Sn焊料在235℃回流焊时的润湿及结合程度。 第二，是无铅焊料的选择。贴装无铅化，主要在于无铅焊料的选择及焊接工艺(温度制定、气氛)的调整，其中尤以无铅焊料的选择最为关键。 选择无铅焊料的原则是：熔点尽可能低、结合强度高、化学稳定性强。 此外，在PCB制造和工艺材料领域，制造商也面临一系列挑战。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。 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。而且无铅焊接的温度在260℃以上，对元器件和面积较小的PCB而言，是可以接受的；而对面积较大的PCB，将有可能引起变形、翘曲等。要从根本上解决这一问题，必须改变PCB材料，这绝非一朝一夕就可以完成的。 DEK公司全球应用工艺工程部经理Clive Ashmore介绍说：“显然，受到最大影响的是回流焊工艺，因为银锡合金的熔点比较高，而至今看起来它最有可能成为可靠的铅锡易熔合金替代物。至于贴装设备，也可能需要进行一些改动，众所周知无铅合金的浸润能力比较弱，而浸润能力可将元件拉到焊点的中心，以修正微小的位置偏差。现行的IPC标准容许使用铅锡焊膏时焊点相对于焊盘的定位误差为50%，尽管没有类似的数据来推算无铅焊膏的相应数值，但我们认为无铅工艺所允许的误差将更小，因此可能需要创新的高精度贴片设备加以补偿。“ ★无铅化法规执行带来的问题★ 任何一个新事物的诞生都不可避免会造成一定的负面影响，欧盟RoHS指令的颁布，给我们带来了享受健康产品时的快乐，同时在执行过程中它也会存在很多潜在的问题需要人们去思考、去解决。 【库存与供应如何协调】： 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。要实施无铅化法规就必然会给电子供应链带来很大影响，无铅化法规一旦实行就势必会带来大量的旧产品库存积压，这个问题又怎么解决。 德州仪器高级副总裁Gregg Lowe表示，“在一些国家的公司中，例如日本肯定在进行无铅化改造中，其它国家的公司也在加速进行。但是我担心大多数国家的公司会有忽略无铅化问题，以及没有正确领悟条例的要求。当半导体厂商准备好后，库存和供应链将会是另一个问题。“ 艾睿欧洲分公司物流副总裁Jochen Lutz说，“现在一个主要的财务问题已经浮现，当我们的客户确实需要无铅器件时，何时我们开始建立库存，而那些不符合无铅要求的元器件如何处理。更基本的是，无铅的标准如何界定，我们需尽快进行分析。谁将为这一切开支买单？” 【废弃的电子产品如何有效利用和处理】： 2003年2月欧盟颁布的《废弃的电器电子产品管理指令》（WEEE）要求笔记本计算机、台式计算机、打印机、CPU、主板、鼠标、键盘、手机等业者，必须在2005年8月13日以前，建立完整的分类、回收、复原、再生使用系统，并负担产品回收责任。我国电子电器产品已到了淘汰的高峰期。电视、洗衣机、冰箱、空调、计算机五大件每年的淘汰量在2000万台以上；手机的更新换代速度更快。“电子垃圾“的增长速度是普通废品的3倍。而目前我国还没有建立起完善的电子垃圾管理制度和回收利用体系，甚至没有一家真正意义上的电子垃圾回收处理企业。 中国家用电器协会副理事长刘福中说，欧盟的此两项法令对中国家电行业产生的影响将是巨大的。我国企业将来在出口时要额外交纳高额的电子垃圾回收费用，大家电每台将多达几十欧元，成本加大，必将影响市场销售和竞争。如果中国的电子类生产企业不采取积极应对的态度，导致的结果必然是出口成本提高，出口量下降。 ★企业对无铅化、环保节能的看法★ 光胜电子厂的刘副理告诉笔者： 随着市场日趋严格的环保需求，全球法规电子及电器设备废弃物处理法(WEEE & RoHS)、加州65法案(California “Prop 65“)、电池相关法规(91/157/EEC)、包装材料规范(94/62/EC，CONEG)，对有害物质的禁用、限期减量使用与废弃物回收规定的实施，未来绿色环保产品将对产业产生冲击，这对以OEM或ODM出口贸易为主的中国来说，产品开发设计、制造、废弃物的回收，都已成为重大挑战。在短期内厂商面对愈来愈严谨的法规，应思考向以下的方向执行： （1）尽量减少电子电器设备废弃物所带来的负面影响，并在产品中限制有害物质的使用。 （2）确保电子电器设备废弃物能更有效地被回收再利用、再循环使用和其它形式的回收，以减少废弃物的处理。 （3）改进有关电子电器产品生命周期的所有操作人员如生产者、销售商及消费者的环保行为。 变压器目前在推行上尚无重大问题。对产业而言无铅制程大幅改变既有生产模式，但现阶段仍欠缺较为成熟的技术或规范，导致产业界无法顺利推展导入相关制程、无法有效量产。目前被动组件无铅化成效较为显著，但主动组件因主要掌握在国外大厂，致导入无铅化较慢。但无铅化进程的推进问题在欧盟强力主导要求下，在今年年底前应该可以解决。也无重大技术问题，有关无铅焊锡温度需提高的此类技术问题我厂在1999年即遇到过，可以以自动焊锡机多次焊锡及使用治具克服此问题。一般产业界可能会遇到为符合WEEE & RoHS，势必要附加许多测试报告，企业必须了解检验项目是否适当；检验方法、检测实验仪器的纪录都须清楚翔实才能获得保障。 其实早在2002年刚开始推行绿色环保时，我司承受着很大的成本压力(无铅锡价格比有铅锡贵二倍，无铅锡棒约151HK/kg，无铅锡丝约184 HK/kg，有铅锡棒约65HK/kg，有铅锡丝约67HK/kg)，每个材料供货商皆反映成本高，要求提高售价(变压器材料成本约提高5～10％；音响产品材料成本约提高30～50％)，我们在可吸收之范围内原则不向客户要求提高售价，而对客户方面来说自然在开发设计时会优先选择我司，且会要求其外包厂商使用我司之产品(客户免费广告，降低我司行销推广费用，且成功率高)，而越多人使用，量越大材料成本自然会降低，在周边产生效应，这无形之中提高了公司的竞争力。 我司从2002年底开始推行绿色环保，因此有部分产品，客户未做绿色环保要求，我司已达到欧盟的要求。因为提早达到了绿色环保要求，库存压力就会降低，但还没有达到零库存的情形。因目前变压器材料除CORE(铁心)、BOBBIN(线轴)的共享性较差，故此无法达到绿色环保要求的材料，则可转移至其它客户使用，可降低库存损失。我们建议提早实施绿色环保，尤其共通性的材料WIRE(漆包线)、TAPE(胶布)…等，会降低企业非环保材料的库存成本。 应环境快速变化的要求，我司变压器厂针对部份客户需求已能达到欧盟环保WEEE & RoHS要求；而音响厂则针对部份客户需求已能达到SONY SS-00259环保要求，预计2005年底我厂能达到全面环保工厂的标准。我们认识到环境保护是21世纪人类最重要的课题，产品达到全面符合环保标准是个无法避免的趋势，唯有比别人更早进入绿色环保厂商，才能掌握先机并获得保障。 对于旧产品大量库存的风险管理，我司分为短、中、长期三个阶段执行，短期是控制危害物质及符合客户要求和法规要求；中期以加强产品供应的管理，导入无铅制程；长期以使产品达到易拆解及可回收的功能(目前我司已进行至中期阶段)。 在厂内资源回收部分，要求员工降低损耗率减少资源浪费，并要求全厂资源回收，废弃物有效分类、回收及减量，并要求资源回收厂商在厂内设置回收点，专人处理可回收的废弃物，以降低资源浪费，为维护地球环境而做出贡献。 天宝国际兴业有限公司市场部的陈先生这样告诉笔者： 本公司非常重视电子变压器的无铅化环保进程，加上欧洲无铅化环保体系（RoHS）的要求，我们计划到明年5月份完全实现无铅化。针对无铅方面来说，我司主要是要求供应商提供无铅化的各种测试证明，确保原材料的无铅化。除此之外，就是在完善配套方面下工夫。我司使用的胶心胶壳都是自己生产的，可以确保实现无铅化。主要的问题在输出线上，还是对供应商提供无铅化证明的问题。目前，我司已经基本实现了无铅化的生产流程，尤其是在无铅焊接方面已经完全达到了国际标准。 整机企业在加快自身无铅化进程步伐的同时，也会要求我们填一些可以证明我们生产过程中无铅化进程的表格。提出这些要求的企业目前还是以欧洲和日本的为主。 谈到无铅化实施过程中的困难，主要是我们的供应商很难达到国际无铅化标准的要求，提供不了产品无铅化的证明。那么我们就要寻找新的供应商，这个寻找的过程就会存在很多困难，要了解他的产品品质，供应商的规模、信誉等方面，这些在短时间内是很难做好的。第二，就是传统的原材料不能使用，要寻找新型的材料来代替，这就势必会增加成本。第三，就是原材料价格上涨带来的压力和影响。 在我司看来，无铅化法规以及各种环保政策的实施都是势在必行的，那么就要早做准备。对于即将实施的无铅化法规，我们早早的就开始准备，严格控制物流，并在客户的要求下逐步减少库存，因此可以避免法规强制执行时产生大量的旧产品积压问题。 我们认为无铅化的实施是必然的，但是只禁止铅等几种少量的对人体有害的金属，做的工作还远远不够。我们既要全面控制对人体有伤害的物质，还要控制对环境有害的物质。我司目前做到了对那些对人体有害物质的控制，对于环境保护方面也开始采取措施，着手进行工作了。 ★无铅化发展实施前景及意义★ 无铅生产几乎涉及整个电子制造业产业链上下游的所有领域。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。 尽管在全球电子制造业中全面推行无铅生产还有待时日，业内对无铅生产的必要性和电子产品中铅的危害也还有争论，但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。现在各地制造商纷纷出台政策减少铅污染，因为实行无铅生产比废除氟里昂(CFC)的使用更具意义。 天泓公司无铅行动区域供应商质量工程专家Sean McDermott说：“它的重要性可以与从过孔装配向表面贴装技术(SMT)的转变相提并论。事实上这一举措对业界的影响比从过孔装配向SMT的转移更为深远，因为要遵守无铅法规就必须进行大范围的改变。这一法规所触及的领域是以前的变革中从未考虑过的。“ 爱立信电源模块公司市场总监Patrick Le Fevre指出：“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。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。“ 由于各国和地区的严格立法及表面贴装业对环境保护的重视，按欧盟要求的时间表实现大部分元件与焊接过程的无铅化是完全有可能的。但要彻底实现无铅化，难度仍然很大，因为无铅焊接的温度在260℃以上，这对元器件和面积较小的PCB而言，是可以接受的；而对面积较大的PCB，将有可能引起变形、翘曲等。要从根本上解决这一问题，必须改变PCB材料，但这绝非一朝一夕可以完成的，现在也并无迹象表明PCB制造商准备改变其所用材料。 另一方面，正如本文开始时所提及的，贴装行业对环境的污染主要是由废弃造成的。因此，着重“绿色产品”即可回收产品的设计与开发，才能从根本上消除电子行业对环境的污染。从这个意义上看，无铅化只是减少表面贴装业对环境污染的临时措施。 随着最后期限的迫近，业界对有关无铅生产的实施细则和验证程序更加关注，尽管有日本的经验借鉴，但要在全球范围内顺利向无铅生产过渡还面临一系列挑战。一些技术解决方案供应商警告说，尽管目前在制造成本控制和技术可靠性上无铅产品已经日趋成熟，但整个供应链上的各方还是需要承担起各自的责任并相互紧密配合，否则全球范围向无铅生产的过渡可能充满痛苦并造成大量资源浪费。在中国，元器件供应商和PCB组装厂商目前虽然静观其变，但中国政府和欧盟同步的强制性措施以及产品出口的考虑将迫使他们向无铅生产迁移，置身事外只会削弱自身的竞争力。