原创 第一章 无公害电子制造技术简介

第一章 无公害电子制造技术简介

1、工业发展趋势：西方文明中出现过四个主要的变革时期—文艺复兴时期、社会改良、工业革命和计算机时代，随之出现了上千种工业，其中汽车工业和电子工业是目前最大和最重要的工业
a.汽车工业：直到1996年汽车工业一直是世界上最大的工业，这种工业会产生一系列先前在生物圈中从未出现过的有毒污染物，为环境带来很多不能被降解的垃圾废物，1970年曼彻斯特技术研究所提交了名为《严重的环境问题的研究》报告，一个月后美国总统尼克松向国会提交了关于环境质量的第一份报告，不久诞生了美国环保署(EPA)这一机构，环境成为大时代政治的一部分，EPA取得的最大进步就是禁止把铅作为汽油的添加剂，这样一来，在1980年到1999年间，将空气中的铅含量减少了94%；
b.电子工业：自1996年以来，电子工业成为世界上最大的产业，最近几年电子工业面临着关于无卤素、无铅技术立法等问题的提出，这是因为电子工业中电子产品依赖于卤素阻燃剂和锡铅焊料。相关法规分别有欧盟的《报废电子电器设备指令》（WEEE）和《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质的指令》（ROHS），日本也出台了《家用电器回收法》（The electronic household appliances recycling law）；

2、全球无公害制造技术的发展趋势：Murphy分四个方面研究了全球无公害制造技术（EBM）的发展趋势，重点放在欧洲、日本和美国，这四个方面为政府、工业、研究发展与教育；
a.政府行为：回收立法、禁埋垃圾、禁用材料、生活周期评估（LCA）工具和数据库、循环下部构造、经济激励、通过媒体制定的规章、与企业共同努力、财政和立法倾向；
b.工业行为：ISO14000认证、节约用水、节约能源/二氧化碳排放、减少向水和空气的排放、减少固体废料/后工业的循环利用、最终消费者的循环利用、新材料和新能源的开发、可替换材料的开发和利用、供应链、从商业策略上鼓励无公害制造技术（EBM）、生命周期行为；
c.研发发展行为：美国重于材料和工艺技术、日本在应用和制造系统等方面做了很多努力、而欧洲的研究主要倾向于系统工程、特别是在环境及生命周期行为等方面；其中基础研究大概需要五年以上才能出成果、而应用研究的成果一般五年内会有出现，主要围绕聚合物、电子、金属、汽车/运输、及系统几个方面展开；
d.教育行为：欧洲国家高等教育已经包含了无公害电子制造技术的相关内容，并且教育的程度远远高于美国和日本；美国重点在初等教育中强调了环境问题，总体而言美国和日本与欧洲还是有较大的差距，教育行为的具体表现为：课程、计划、集中的学位教育、企业赞助、政府出资等；
e.全球在无公害电子制造技术方面的努力：如前所述，在目前电子工业内，人们对于无卤素阻燃剂和无铅焊料的相应材料表现出非常大的兴趣，这种趋势也是最早由WEEE/ROHS两项提案引起的，现在各国都在积极响应，但是对于广泛认为不太可靠的或对环境的益处不是很清楚的一些技术，大家都显得比较犹豫；

3、无公害电子制造技术的发展趋势：半导体是电子工业的核心，其中金属-氧化物-半导体MOS微元件占30%、MOS存储器占21%、MOS逻辑电路占20%、模拟电路占16&、分立器件占了8.4%、光电器件占了5%、双极与数字电路占了0.36%（题外话：这好像是四五年前的数据，就个人理解和观察，至少光电器件的份额应该有大大的上升）
a.集成电路制造：绝大多数集成电路是在晶片上制造的，但此类工厂消耗了太多的水、能源和自然气体，所以需要集成电路制造厂家与生产仪器和材料的公司多多合作，创造出新的材料和工艺来减少能源和水的消耗，并控制固态垃圾和含氟化合物；
b.集成电路封装：当晶片加工好之后，需要芯片级的互连，在晶片上的焊料是这些互连材料中的一种，另外目前有很多不同的无焊料芯片级互连材料，其应用后面进一步阐述；
c.印刷电路板：印刷电路板PCB是用来支持和连接电子产品的元器件，但其生产过程消耗了大量水、能源和化学物质，同时也造成了大量的垃圾污染了环境，其中通过微孔使内建层连接的PCB板相对来说要对环境的影响小得多；
d.无铅焊料：锡铅焊料为二族材料，其成分比较容易控制，而绝大多数无铅焊料至少是由三种材料构成，在成分和含量上较难控制，给生产控制过程带来难度，增加了相应的废品率，另外由于无铅焊高的熔点给更换元件带来困难，导致了更高的产品失效率，并且拆卸也困难些，限制了电子产品的维修保养等方面，不过由无铅带来的一系列问题都在陆续解决中；
e.不含卤素的阻燃剂：很长时间内电子产品中一直使用卤素阻燃剂，虽然其阻燃效果极佳，但对人体和环境的负面影响是非常大的，目前很多公司开始使用无卤素PCB板，而象Sumitomo、Nitto Denko和Kumgang Korea Chemical等公司开始提供IC封装中无卤素的成型复合物材料。下面列举了卤素元素的一些相关性能：
■溴Br是一种较重的，挥发性的。微红褐色、非金属的液体物质，有刺激性气味，它往往被用作汽油防爆混合剂、熏染剂和化学洗相；
■氯Cl是高度刺激性、绿黄色气体物质，它能跟几乎所有其他元素反应。他主要由电解氯化钠来制备，主要被当做消毒剂和漂白剂，在净化水，制造氯仿和四氯化碳等方面应用都很广泛；
■氟F呈淡黄色，是具有高度腐蚀性、剧毒的一种气体，带负电，与所有元素都能发生反应，在工业重要化合物中有广泛的应用；
■砹At是高度不稳定的放射性元素，是卤族元素中最重的，在溶液中与碘非常相似，它的最稳定的同位素，其原子量为210，半衰期为8.3h；
■锑Sb是金属元素，有四种同素异形体，其中最普遍的一种较硬，非常脆，有光泽、银白色的晶体。它应用在很多合金中，尤其是与铅一起构成蓄电池极板，制造防火材料、油漆、半导体器件和陶瓷等；
■碘I是具有光泽、呈灰黑色、具有腐蚀性的有毒元素，有放射性同位素。它可被用作医学上的追踪器、甲状腺疾病的诊断和治疗。碘一般被用作杀菌剂、防腐剂和染色剂等；
f.导电胶：最近从环保方面来考虑，非焊接材料，如胶（黏合剂）等，正被考虑用来在PCB板上或衬底上倒装元件，目前有很多种不同的胶（黏合剂），包括各向同性导电胶ICAs、各向异性导电胶ACAs和非导电胶NCAs；
g.终身管理制：从历史上看，在集成电路元件上的贵重和常用金属，如金、钯、铜和铅，在产品所用的钢材以及在PCB板上价格较高的配件，从成本上考虑，都回收利用。然而随着技术的发展，贵重和常用金属越用越少，塑料越来越多地替代产品中所用的钢材，使用越来越便宜的配件缩短了产品的寿命，所以回收越来越不具有利润上的吸引力了，另一方面电子产品的产量以空前的速度在发展，而他们的使用寿命在缩短、加速了淘汰率，因此在欧洲和日本，电子产品的回收方面面临越来越大的压力，在系统制造时，电子产品的设计考虑到可回收问题和环境问题。