長期以來，在電子生產組裝領域上，電子廠商都採用了含鉛焊料(即含鉛合金)以作生產及組裝工藝，當中尤以錫/鉛(Sn-Pb)為業內最常見的含鉛合金和焊接材料。由於錫/鉛合金無論在穩定性、方便性、焊接性或價格合理性方面都擁有較多的優點，因此錫/鉛焊料迄今為止仍在電子組裝，甚至高密度電子組裝的製程工藝中被廣泛採用。
不過，自上世紀開始，隨著全球對環境保護的意識日益增強，在工業上採取綠色環保的措施便愈來愈成為全球人類所關注的領域。隨著大量電子產品廢棄物的出現，以及數量龐大的舊有家電產品被隨意棄置，從這些廢置產品中所釋放出來的含鉛有毒物質，卻逐漸對全球環境和人類健康造成嚴重威脅和破壞。
因此，針對這種鉛污染，全球對電子生產工業領域中的無鉛製程日益產生出愈來愈大的需求。包括元器件廠商、產品生產商、組裝商、設備及材料供應商等在內的電子企業，近年也就相率投入到無鉛化的行列，而其發展規模更與日俱增。
以現時發展的形勢來說，電子生產設備業已開始進入了一個被稱為綠色環保的新時期，其中尤以無鉛化電子組裝製程工藝，成為近年來電子生產設備業者所關注的最新發展領域和重點。針對客戶對不同組裝和焊接等無鉛製程的環保工藝要求，電子生產設備商先後推出了配合無鉛化工藝的專用設備。因此，可以說無鉛製程正衝擊著電子設備業未來的發展路向。
全球投入無鉛製程的立法歷程
從一九九零年代初開始，西方及日本等工業發達國家先後對無鉛製程展開研究和開發，並加以立法及設定期限，以管制廠商在電子製造工序上採用含鉛的有毒物質。例如，早在一九九零年，美國提出了“在所有電子機器的廣泛範圍內禁止使用鉛的法案”，自此全球便開始對無鉛焊料和無鉛化電子製程工藝進行廣泛和深入的研究與開發。
對無鉛製程最為關注的歐盟，則於一九九八年通過法案，明確規定二零零四年一月開始，規定所有電子產品中不可採用含鉛焊料。“歐洲電子電氣設備指導法令(WEEE
Directive)”則規定到二零零六年七月一日，部份含鉛電子設備的生產和進口將被視為非法，同時含鉛電子產品也不得在歐盟區域內生產和銷售。
根據歐盟制訂的“電子設備廢料指令”，生產商須由二零零四年八月十三日起，承擔電器和電子設備的回收、處理、循環再造與妥善棄置所涉及的開支。
另外，據歐盟的“電子產品有害物質限制指令”，規定自二零零六年七月一日開始，所有新電器和電子設備均不得含有包括鉛、鎘、汞、六價鉻，以及溴化阻燃劑PBB(聚合溴化聯苯)和PBDE(聚合溴化聯苯乙醚)這六種有害物質。同時，有關指令還規定成員國須在二零零四年八月十三日之前完成相應的立法工作。
自一九九六年開始制訂相關開發計劃的歐洲無鉛化推廣組織(IDEALS)，認為無鉛焊接可以在工業方面得到實用效果，與此相關的Sn-Ag-Gu焊料則有被廣泛採用的範圍。
至於日本，早在一九九零年代開始便進行無鉛化的研究，而且在“環境立國”的基本國策下，更規定每一家公司須制定“環保報告書”以實現無鉛化計劃。在該國承擔著無鉛化組裝可靠性工藝的組織JEITA(日本電子與信息技術工業協會)，更已經公佈了無鉛化的應用標準，有助推動全球朝無鉛化製程的方向發展。該國的電子產品製造商如松下、新力、東芝、先鋒、NEC等，從二零零零年起開始引入無鉛錫膏，並迄今已基本上實現了無鉛製程。
中國方面，也對無鉛化製程工藝予以關注和重視，並積極展開相關研究和發展，迄今已在多個方面取得成果。目前，信息產業部正在擬定“電子信息產品生產污染防治管理辦法”，規定電子產品製造商所投放到市場的一系列重點產品，要從二零零六年七月一日起不能含有鉛、鎘、汞、六價鉻，以及溴化阻燃劑PBB(聚合溴化聯苯)和PBDE(聚合溴化聯苯乙醚)等六種有毒物質，根本上配合著歐盟方面的相關立法。
各國廠商捲入無鉛製程的發展浪潮
在全球多國對無鉛製程的相關立法，以及市場對環保工藝的需求衝擊下，各地廠商紛紛投入無鉛化電子生產的工藝。首先，飛利浦早於一九九四年已開始朝無鉛化製程的方向走，並在一九九八年參照了歐洲的“無鉛化推廣組織(IDEALS)”所規定的方案，從一九九九年起在諸如檯燈控制用的基板量產中採用了無鉛工藝。
其次，諾基亞集團也早在一九九四年便對移動通信終端產品確立了無鉛化工藝的應用方針。例如在Ni-Au鍍層基板上，諾基亞便採用了無鉛合金焊膏，用以為1005型片式元件進行回流焊組裝。該集團所生產的GMS2110手機更在一九九六年便開始進入無鉛化的批量生產。
歐姆龍集團則在一九九五年就投入無鉛焊料組裝技術的開發，包括SMT用無鉛焊膏、手工焊的焊錫絲與波峰焊用棒材的工藝。該集團由一九九八年起，更實現無鉛化光電傳感器的批量生產。
新力集團從一九九六年開始即研究無鉛化組裝工藝，並在一九九九年與多家元器件製造商進行無鉛化協商，以及簽訂了落實相關無鉛化製程的協議。到了二零零零年，新力更向市場推出採用了無鉛製程工藝的數碼攝錄機。
從一九九八年起，松下集團則在便攜式數碼音頻產品“MD”上展開了無鉛化批量生產，並實現採用了無鉛化工藝的“P-MD”產品系列。
富士通方面，其研究所於一九九九年發表了無鉛化在全球通信程序服務器GS8900的應用，其體現形式是在該服務器內採用了MCM的無鉛化分級焊接組裝技術。
NEC在二零零二年所採用的錫/鉛焊料其使用量遠較一九九七年的削減了50%，而該集團更早在一九九九年便率先在筆記薄型電腦上進行無鉛化批量生產，並從二零零零年起向多種產品落實了無鉛化製程。
此外，從上世紀九十年代已開始投向無鉛化工藝方案發展的北電網絡集團，近年來也在波峰焊和回流焊方面應用了無鉛工藝，並成功生產了品質良好的無鉛化電話機和手機。
至於TDK集團，也在二零零一年開始為其客戶供應採用了無鉛鍍層工藝的表面貼裝元件。
泰科電子公司旗下的Raychem電路保護，在二零零三年所公佈的PolySwitch
SMD系列是一種備有自復式特性的無鉛器件。據了解，該器件所採用的無鉛焊接技術規格與有鉛標準的器件相互一致，可承受無鉛焊料所需的較高焊接溫度，並可以採用現有的回流焊工藝進行組裝，因此有助廠商在生產線上進一步地落實無鉛製程。
作為北京最大電子製造服務商的北京柏瑞安科技有限責任公司，過去兩年先後引進了九條SMT生產線，其所生產的批量DVD和汽車電子等產品，皆已開始採用了無鉛焊接技術，並逐漸朝實現無鉛製程的方向發展。
著名表面貼裝生產設備供應商日東電子，於二零零三年召開了“無鉛焊接技術研討會及產品展示會”，邀請業內專家就無鉛電子組裝發展現狀、無鉛波峰焊發展趨勢，以及無鉛回流焊技術挑戰和解決方案等議題，與業界進行探討和分析。
鑒於各地電子廠商日益投入無鉛工藝的領域，以及無鉛製程已成全球發展大勢，二零零三年在上海及深圳兩地舉辦的國際電子生產設備暨微電子工業展(Nepcon)，也就因此視無鉛製程為當中另一個重點項目，尤其是對於如何落實無鉛組裝工藝的問題，更成為各參展商及設備供應商所關注的一個熱點。
制約實現無鉛化工藝的一些技術問題
儘管無鉛製程是大勢所趨，不過若要在生產線上全面實現無鉛製程或無鉛化生產工藝，全球電子廠商現時仍然面對一系列技術上的難題。
首先，無鉛合金的兼容問題便可能會造成產品的損耗情形；第二，無鉛焊料的再流焊溫度較含鉛焊料的高，這可能會導致元器件的損壞；第三，採用無鉛製程所導致的焊接缺陷會出現較高的或然率；第四，無鉛焊接在溫度、合金成份等方面還未出現一致的標準；第五，無鉛製程讓檢測和復修的工作變得困難等。
單就焊接溫度方面來看，由於無鉛焊料的熔點較傳統錫/鉛合金的高，因此在生產線上進行組裝處理的電子元件便會面臨著耐熱性不足的問題。工程人員有需要對相關元件的耐熱特性有所提高，才能避免元件在焊溫較高的無鉛工藝下出現損耗現象。但應該把元件的耐熱溫度提高到一個甚麼水平才算是最適當？對於這一個技術問題，現時業界仍在進一步研究。除了組裝用的焊接材料外，元件內部的焊料也需要相應的配合，但據此而開發的高溫無鉛焊料在量產化所出現的問題仍多，發展仍有待加強。
一般來說，無鉛化組裝製程工藝在使用性和可焊性方面還面臨幾個技術問題。比較傳統的錫/鉛合金，無鉛焊料的焊接特性較差；而且，除了在焊點上出現腐蝕性的問題外，無鉛焊料還未能克服元件焊接後所發生的蹺腳現象。此外，在焊接溫度的偏差值規定、焊接的潤濕性、焊接自動校準的效果、量產化的品質管理、焊接的可靠性和焊接後的檢測等多方面的工藝上，無鉛製程亦存在不少問題有待解決。
由於電子產品無鉛化是一個不可避免的趨勢，全球電子廠商無不高調呼籲業界須儘快制定相關的國際標準和知識產權，並儘早定下落實方案。單就無鉛製程的知識產權而言，業界的意見主要是：儘快建立無鉛焊料的專利信息數據庫，以及應設法讓已有的相關國際專利信息給予公佈，以減少業界重複使用。
另一方面，目前可替代傳統含鉛焊料(即錫/鉛合金)的無鉛焊料有三種：即錫/銀/銅、錫/銅和錫/銀/銅/鉍，但無論在替代錫/鉛焊料的無鉛焊接材料，還是在無鉛製程的工藝上，國際上現時仍未有出現一種一致性的統一標準。
據美國國立生產科學研究所的相關研究顯示，目前有三種可應用在SMT領域上的無鉛合金，被初步設定為將有能力取代傳統的含鉛焊料，其中一種是Sn-57Bi，但只推薦在特殊的應用領域中採用。
一直以來，在SMT工藝上最普遍採用的焊接材料是錫/鉛合金(Sn-Pb)，其中40%左右的成份為鉛，其焊接熔點約為183BC。至於無鉛焊錫，其主要成份是錫，熔點卻高達232BC，一般會與銀、鉍、鋅等金屬組成合金材料。日本一些公司現正開發可應用的無鉛合金焊料，包括：Sn-Ag、Sn-Zn和Sn-Bi。
現簡單介紹三種有望取代傳統錫/鉛焊料的無鉛替代合金材料。首先，Sn-Ag無鉛焊料的熔點較高，達221BC，耐熱性能明顯優於Sn-Pb，但主要問題是熔點偏高，且成本也較高。不過，若加入適當份量的銅可降低其熔點，以及提高焊接可靠性。而Sn-Zn在拉伸強度、熔點和成本上，都有優點，唯穩定性不足，易氧化。至於Sn-Bi，儘管穩定性較好，熔點低，較適合於耐熱性較差的元件焊接，但隨著Bi的成份增多，焊接可靠性也會降低。
雖然目前仍未有一種能滿足業界、並全面取代傳統錫/鉛焊料的無鉛合金出現，但隨著全球已朝著無鉛製程的方向演進，加上各國將繼續對無鉛化生產工藝進行長期研發，相信未來業界終能開發出一種完全取代傳統含鉛焊接材料的環保合金，從而藉此進一步落實無鉛化工藝的應用。
文章來源：《電子工業》2004年3月號
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微電子設備特輯
感謝香港生產力促進局信息策略部提供
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