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1、印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期111 邁向21世紀之綠色 電子產品國際會議 (EGG2000+)紀要 賴玄金 工研院工業材料研究所 材料設計及應用研究組 組長 本文介紹 EGG 2000+會議中綠色電子產品及綠色電子材料的發展現況及未來趨勢。 目前國外機構或協會如NEMI、ITRI（英） 、IDEALS、ZVEI、NEDO等 都已建議錫鉛之替代材料，包括迴銲、波銲及手銲（如表一） 。 但無鉛銲錫之相關標準尚未完整。無鹵基板已有商品化規格， 與無鉛銲錫整體性SMT技術已建立，並可同時符合環保及產品之可靠度。 摘要 關鍵詞 無鉛銲錫(Lead Free Solder)；無鹵基板(Halog
2、en Free PWB)；表面連接技術(Surface Mount Technology, SMT)；壽命週期評估(Life Cycle Assessment, LCA) 本次會議全名為Electronics Goes Green 2000+，簡稱EGG2000+，於今 年9月11-13日在德國柏林舉行。會議之目 的希促進歐、美、日等各國專家之對 話，提供與會者了解各國（或各公司） 對電子產品與環境關連的技術及現況， 並希對未來電子產品環境影響層面能做 一充份的討論。參加本會的總人數約 5 0 0 人，主題有無鉛銲錫及其連接 (Interconnection)的技術、無鹵電子材 料 、 環 境
3、 親 和 性 設 計 (Design for Environment) 、End of Life、綠色管理、 綠色產品、永續能源系統等。由於有些 議題平行進行，因此僅參加此行與會主 要目的的項目如無鉛銲錫及無鹵電子材 料。另外就會議開幕及專題演講有關未 來電子產品與環境的相關議題一併摘述 如下。 開幕及專題演講 一 、 德 國 教 育 及 研 究 部 祕 書 U . Thomas開幕致詞的題目“邁向永續成長 21世紀R&D策略的挑戰” ，提到德國 以往對網路發展過於保守的預估，使得 1990-2000年由美國主導之網路時代 中，德國居於劣勢。因此面對未來2000 2010年德國希與歐洲共同推動
4、下一世 代的UMTS網路（比ISTN快速） ，且希 德國在未來全球的教育市場上能佔上關 鍵 地 位 。 所 以 提 出 一 行 動 方 案 即 IT2006，以推動新的IT研究策略，例如 (1)廣建公共圖書館(2)教育多媒體化(3)建 立相關法令架構( 4 ) 尋找I T 的新應用 (5)UMTS之推廣及應用。此外他並指出 在全球化的永續挑戰之中，電子產品可 以是問題的解決者，也可以是問題的製 造者，因此未來電子產品應在製程中或 產品本身設計與環境親和性整合在一起 考慮。 二、歐盟之歐洲資訊與通訊技術工 業協會代表V.Herman亦在開幕式中演講 “2010年後之電子產品一個挑戰性的 遠景”
5、。他提出以產品、技術、服務、 期望四個部分的相互關連性來預測2010 年的革新、創新或生活方式的可能改 變，其變化可能在通訊、家居、辦公、 教育、醫藥、娛樂、生產等方面。未來 印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期112 10年內的技術預測會包括如下列項目之 發展應用：即UMTS、Bluetooth、 XDSLS、IPV6、Opto-Electronics、AI、 Fuzzy Logic等。未來產品的發展可能會 包括智慧型衣服、智慧型房屋、智慧型 廚房、WAP+藍芽、57 channels等。未 來的期望將是以顧客為中心的技術及產 品的發展，而且此發展速率將會比收入 的成長更快。E-high
6、street將繼續推行， 生活的基本需求更依賴PC化的產品，而 且未來即將邁向E化的服務產業。未來E 化的服務面將可涵蓋政府、生計、學 習、醫藥、銷售、金融服務等。 基於上述之推測，Herman先生提出 未來電子化的發展可能對社會、經濟、 環境面等的影響，而且認為如何面對未 來應提出一個Road-Map，應從一些關鍵 問題來思考如何訂定2010年的公共政 策。 三、瑞士，Dyconex總經理，W. Schmidt，在專題演講中介紹PCB技術的 趨勢。認為未來PCB的挑戰將是環保的 壓力、政府的法令要求（回收或再處 理） 、細線化、價格因素等。未來PCB 技術的願景為25/25m線寬及線距， 2
7、5/75m via/pad直徑，最多4層板， 20GHz高頻設計，自動化生產，以及高 良率等。提出LCP將是未來介電材料的 極佳選擇（高頻、低吸溼、190430C 熔點、尺寸安定、CTE 17ppm/C） ，並 採用減少電鍍步驟較少的微鑽孔技術 (SMP、PMP、MP+Z-connection)，以及 其他對環境衝擊性較低的新製造技術。 表一 各國對無鉛銲錫之建議合金 方法NEMI(美)ITRI(英)IDEALS(歐)ZVEI(德)NEDO(日) SnAg3Cu0.5/ 迴銲SnAg3.9Cu0.6SnAg(3.4-4.1)Cu(0.45-0.9)SnAgCu0.5SnAg3.9Cu0.6Sn
8、Zn8Bi3/ SnBi57Ag/ 波銲SnCu0.7/SnAg3.5SnAg(3.4-4.1)Cu(0.45-0.9)SnCu0.7/SnAgCuSbSnCu0.7SnAg3Cu0.5 手銲SnAg3.5SnAg(3.4-4.1)Cu(0.45-0.9)SnAg3.5SnAg3Cu0.5 印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期113 四、東京大學教授山本良一，介紹 日本子產品未來ECO-Design的願景，目 前日本已完成的項目有，環境相關法 令、電子產品之回收法令、LCI(Life Cycle Index)公家資料庫、Ecoproducts 2000展覽、日本綠色購買網路、日本政 府綠色採
9、購（自2001年4月起） 、MITI 20002001 Factor 10評估計畫。 五、美國綠色電子產品的趨勢，則 由Motorola先進技術中心，國際及環境 R&D director、R.C. Pfah主講。介紹美國 在此方面的R&D及製造偏重於CFC、 VOC及無鉛銲錫。對電子產品之結構件 並儘量鼓勵鋁合金之應用。此外NEMI、 SIA、IPC亦都分別進行或提出綠色電子 產品製造技術相關的Road Map。目前 R&D計畫正積極地推動DfE工具之應用 （如Motorola內部之Green Design） 、工 業產品之Input-output研究、供應鍵之 LCA研究、服務面之LCA研究
10、等。 無鉛銲錫之應用 今 年 無 鉛 銲 錫 的 大 事 是 歐 盟 的 WEEE將電子產品之無鉛化法令執行日自 2004年延至2008年。（但歐盟End-of- Life Vehicles Directive委員會已於今年9 月份正式提出，自2003年7月1日起歐洲 新上市車輛的零組件及材料都不得含有 鉛、鎘、汞以及六價鉻表面處理製品， 但電池除外。）雖然如此，日本的無鉛 銲錫電子產品已陸續出爐，會中報告的 有松下的Mini Disc、PC、通訊產品，日 立的筆記型電腦、Camcorder，NEC的 呼 叫 器 、 行 動 電 話 ， 富 士 通 的 Workstation Server，東
11、芝的行動電話， 新力的電視，豐田汽車的動力控制系統 等。目前各國對無鉛銲錫的建議合金選 用原則如下表，但標準化的進展極緩 慢，如銲錫合金、錫膏、檢驗、組件等 工業標準都未完成。 一、無鉛銲錫對生態之影響 雖然無鉛銲錫之應用是世界的潮 流 ， 但 仍 有 一 些 研 究 持 反 對 意 見 。 Lucent、Litton System Inc、Siemens等公 司與IPC合作的無鉛銲錫對環境衝擊研究 成果，於會議中報告工業生態上的整體 考量應包括材料從資源的提煉、製造、 包裝、運輸、使用、維修、回收及棄置 等所有的過程。從提煉過程分析，無鉛 銲錫材料中添加的Ag、Bi、Sb等元素都 與Pb同時
12、存在，亦即無鉛銲錫之使用並 不會減少鉛礦開採對環境的衝擊。而且 大部份的無鉛銲錫可能會因製程溫度增 高，元件的改變等反而使製造時之環境 負荷增加。至目前止，分析所有的固體 垃圾場週遭環境的含鉛量都在法規之限 值內。另外無鉛產品在使用後之焚化、 回收，再使用（無鉛銲錫不易分離）等 對環境亦會有負面效應。整體而言，無 鉛銲錫的使用反而會增加對環境的衝 擊，未來的立法應著重產品的再回收及 再利用，工程上亦應發展回收及再利用 的相關技術。 東京大學Suga教授報告無鉛銲接對 生態及環境的影響，亦從材料的毒性、 能源消耗、資源的消耗、回收及經濟因 素等項目分析，結果認為SnZ9銲錫（日 本所發展的材料）
13、及Sn PCB finish由環境 上的考慮是可接受的。而Ni/Au PCB與 傳統之錫鉛finish在再處理(Recycle)過程 中之能源消耗量相比高出7.4倍，而 SnAgCu銲錫再處理時也有類似的問題。 結論指出，採用無鉛銲錫同時亦應考慮 PCB的毒性，且適當的EOL(End of Life)及 如何降低能源消耗是無鉛銲接的關鍵問 題。因此若以環境觀點選擇無鉛銲接 時，其LCA整體評估極為重要。 二、從設計上減少材料使用 日本Fujikura公司推動從設計開始就 考慮如何減少電子接點及構裝之材料使 用。所提出之觀點為尺寸縮化及高頻 化，該公司對尺寸縮小後之電性影響、 印刷電路板電子構裝
14、 電子與材料第8 期114 高頻線路設計、人機界面之考慮及回收 等都有些設計指南。 此外Simens與比利時IMEC合作開發 PSGA(ployemer Stud Grid Arrays)構裝設 計，利用熱塑型塑膠射出成型為含凸緣 元件，再經鍍銅處理；如此可減少銲錫 之用量，提高TC之可靠度（比BGA 佳） ，並減少錫球組裝成本（節省時 間） 。 三、無鉛銲錫之技術進展 德國Heraeus公司除對無鉛銲錫做些 回顧外，提及一特殊製程VPS(Vapor Phase Soldering)，可控制迴銲之溫度於 230C以下，目前有些機構已進行此技 術之探討。報告中亦介紹了德國ZVEI （電子工業協會
15、）自2000年3月起成立無 鉛銲錫專案計畫，據了解本計畫主要受 到IPC work 99會議之刺激後才於德國電 子業中蘊釀成立，是先進國家中投入無 鉛銲錫動作較慢的機構。 英國ITRI的K. Nimmo也報告無鉛銲錫 的技術現況，內容與在IPC Work 99會中 類似，資料中較新的是她指出PCB的無 鉛finish目前以SnBi、Pd、Au、Sn等系統 之組合較受歡迎，對組件之內部銲錫 (Internal Solder)仍無法取代錫鉛的合 金，而對無鉛的定義目前之通則為鉛含 量低於0.10.2%。 瑞士EMP A研究單位對耐潛變(Creep) 的無鉛材料研究發現在CTE Mismatch情
16、況下，可能使元件累積過多的應力，使 元件提早破損。因此某些無鉛材料雖然 有優良的耐疲勞、耐潛變等特性，但實 際使用的可靠度仍極重要。 日本大阪大學Saganuma教授報告Bi 含量對SnAgBi(0,3,6)在Cu或Cu/SnPb10 之PCB的高溫(125C)破壞強度的影響。 發 現 當 PCB為 SnPb10 Finish時 ， 採 SnAg3Bi6銲錫之高溫強度最差，原因是 容易形成SnBi46.2Pb28.7共晶（共晶點 溫度為100C） ，所以高的Bi含量可使銲 點之破壞加速。 荷蘭的Cookson Electronics及Royal Philips Electronics N.V.
17、報告無鉛波銲及 VOC Free Flux的銲接技術。本計畫為 IDEALS中的一部份。其答案是無鉛波銲 採VOC Free Flux的銲接是可行的，且有 高的產率，但process window很差。探 討其材料之劣化機制發現SnBiAgCu、 S n C u 為 晶 界 滑 移 之 沿 晶 破 裂 ； 而 SnAgCuSb為塑性變形破壞，與錫鉛合金 相似。結果建議SnAgCuSb可做為一般之 波銲用，但SnBiAgSb僅可做用單面PCB 板之波銲（因液相區大，不易控制） ， 且SnCu不適合波銲（溫度太高） 。 德國非鐵研究所發展無鉛銲錫接點 之可靠度與顯微組織的關連，如顯微結 構 相 為
18、 - S n ( T e t r a g o n a l ) 、 C u 3S n ( O r t h o r h o m b i c ) 、 C u 6S n5( H e x a g o n a l ) 、 A g 3S n ( O r t h o r h o m b i t ) 、 PdSn4(orthorhombic)等介金屬之分布及 形狀。該機構並發展高溫用之錫膏，由 SnCu1及SnAg3.5四種合金混合，其迴銲 峰溫為2 4 5 C ，構裝後之耐溫可達 160C。另比較SnAg3.5及SnAg3.8Cu0.7 之可靠度結果，發現介金屬析出物微小 化及均勻性對可靠度有利。 新加坡Gi
19、ntic介紹FC(Flip Chip)上的 無鉛化無電鍍Bumping技術。利用Double Zincating技術，採89%磷酸鹽無電鍍 液，控制鍍層的結晶粒度及表面粗度， 可提高B u m p i n g 效率並增加S h e a r Strength。 德國柏林技術大學及IZM合作發展 CSP之微小間距(40150m) Bumping技 術Immersion Soldering（可進行無鉛銲 錫之Bumping如SnAg3.5、SnCu0.7、 SnAg4Cu0.5等合金） 。將銲錫置於含有 機溶劑之槽內加熱，並採特殊夾具將晶 片浸入熔融銲錫中進行Bumping。此法之 特色可得到Ni
20、UBM上較薄的銲錫高度， 更可在chip on flex上應用。 Multicore Solders Co., 介紹新發展的 免水洗性flux，可將VOC之含量降至 1 % ， 適 合 在 無 鉛 銲 錫 之 W a v e Soldering。 Motorola介紹發展的無鉛及無鹵材 印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期115 料構裝（PBGA及接腳元件） ，希符合 260C峰溫之MSL3 (Moisture Sensitivity Level)規範之迴銲曲線。結果發現目前的 構裝條件可同時滿足環保及電子構裝可 靠度的要求。未來將繼續探討取代NiPd 接腳材料之可行性。 無鹵材料 一、瑞典
21、Orango公司收集並評估鹵 素耐燃劑(BFRs)及磷系耐燃劑(PFRS)的毒 性影響數據。結論認為BFRs一般皆具有 低毒性，有些種類經證實有長期負面效 應的如PBB，但有些BFRs（尤其具活性分 子）則有較低的負面效應如TBBA。而 BFRs常用於塑膠品、紡織品及橡膠，僅 約有50%使用於電氣及電子產品。至目 前止約有70種BFRs被使用在工業上。 PFRs之毒性程度與BRFs差不多，且燃燒 成為紅磷後為具有高毒性的氣體。而 BFRs的取代物通常較少經過完整的環境 面觀點來評估，甚至有些仍有潛在性的 負面效應。經600800C短時間燃燒 後，有可能形成Dibanzo-diexins及- f
22、urars（致癌物質）的可能性為：高可能 性之PPB、PBDE；有中度可能之DBDE、 BT BE、TBBA、TBBS、TBPI、TBP A；而不 太可能的有Aliphatic BFRs如HBCD。 二、德國的Motorola先進技術中心 評估日立、松下及東芝供應之無鹵基 板，分析在燃燒後的可能有毒物質，並 與傳統的FR-4及山毛櫸木（天然的高分 子材料）進行比較。在260C及600C 燃燒的產物發現目前的三種無鹵基板都 比FR-4對環境之危害程度低，且僅有極 少量的有機化合物如Benzene、phenol、 Aniline等，對環境無高危害性，且其燃 燒後產物與山毛櫸木(Beech Wood
23、)幾乎 相似。不過會中曾有人指出一般焚化爐 溫度達850900C，是否會產生有毒 氣體？Motorola回答是未進行此高溫下 之評估。 三、日本富士通介紹該公司發展的 無鹵耐燃介電材料，可改善積層PWB的 韌性(toughness)。其材料添加1wt%的 phosphate ester及15% Al(OH)3，可兼具 耐燃及介電特性，並可大幅降低燃燒後 這有毒物質釋放。本材料有潛力應用於 高密度之MCM，且可大幅降低未來 MCM的成本（目前的介電材料主要為 Polyimides） 。但混成此種材料採用部 分之些環氧樹脂含有Bisphenol-A群，燃 燒後之化學產物可導致人體內之某些荷 爾蒙分
24、裂，該公司下一步工作將繼續發 展無Bisphenol-A的介電材料。 四、德國IZM介紹以Cyanates/ polycyanurate(Binder)當作PCB耐燃劑之 可能性，由於此材料有高Tg、低Dk且可 重複使用，應可用來取代Bismaleimide及 Epoxy。 五、美國Park Electrochemical Co.介 紹無鹵之樹脂系統X5300，為高N2含量 之Phosphinate樹脂，可應用於無鉛SMT 製程。材料除耐高溫、低吸濕性之外， 並有低的Dk、Df、高Tg、低Z軸熱膨 脹、低密度、無filler等。該公司宣稱該 材料未來可應用領域包括通訊、軍事航 太及汽車產業之電子構裝，但材料售價 比FR-4貴。 結語 具有環境 親和性電子產品的設計及 製造是未的趨勢，EGG2000+會議除對 無鉛銲錫、無鹵基板材料之發展及應用 極為重視外，對於一般產品的綠色設 計、產品回收技術、綠色管理技術、可 攜式電子產品之綠色電能系統等主題亦 有深入的探討。以現今流行的LCD為 例，由本次的會議報告得知，日德兩國 對此產品的安全性、製程中的毒性、未 來廢棄物對環境之毒化評估等都已建立 詳細的分析技術。而國內的LCD產業， 不知是否已進行類似的研究？個人認為 國內對於提昇電子產品競爭力的同時， 似乎也應順應世界潮流，在產品設計階 段時就應將日後對環境的影響因素一併 納入考慮。