RoHS法规下的电子产品绿色材料趋势

      一、事件说明  

       欧盟执委会于2003年7月公告"电子电机产品危害物质限用指令(RoHS)"，欧盟各会员国需于2006年7月1日生效日前，将指令转化为国家法令。也就是说按RoHS的规范，自2006年7月l日起，欧盟会员国应确实管制在欧销售之电子电机产品(终端产品而且交流电不超过1000伏特，直流电不超过1500伏特之10大类电子电机产品)，不得含铅(<0.1%)、镉(<0.01%)、汞(<0.1%)、六价铬(<0.1%)、聚溴二苯醚(PBDEs,<0.1%)及聚溴联苯(PBBs,<0.1%)。  

      除欧盟各会员国外，美国、日本、中国、韩国纷纷制定类似法案，国际大厂绿色采购及环保标章规范中亦禁止使用部分有害物质。新近发展中的趋势还包括欧盟2005/84/EC指令已自2006年7月进行玩具产品中邻苯二甲酸盐之管制，而美国各州亦针对溴化耐燃剂、铅及汞等物质，陆续制订禁用法令。因此，有害物质之禁用已然成为国际趋势。  

       二、事件分析  

      (一)电子产品绿色材料趋势  

     台湾电子零组件及材料业，也就是国际跨国电子公司的第二线(Tier2)及第三线(Tier3)供货商，在响应以绿色物质为要求之规范中，应积极培养具有绿色产品技术的专业背景人员，相关之产业协或公会协助(国内目前以电电公会及电路板协会最为积极带领会员厂商面对)。让厂商在对应来自第一线供货商(Tier1即OEM/ODM公司)的绿色要求上，不只在无害物质检测上花工夫，也应着手于新研发或对应策略，以因应未来2007年至2010年的绿色电子产品技术趋势。  

     台湾Tier1厂商在对应绿色要求上，有二大盲点：第一为照本宣科，将跨国公司之绿色要求整本复制，并转嫁给上游供货商强制要求接受，并未吸纳为公司现状及外围供货商之必要因应状态逐一展开；第二为缺少绿色技术及材料因应策略的长程规划，会导致无法因应来自国际上更多更频繁的绿色要求诉求，以至于只能花费更多在管理管制上的经费及扮演更繁复工作的绿色制造者，对体质提升没有益处及更晃论藉绿色技术摆脱开发中国家的代工制造竞争。  

     因应源源不断的跨国公司绿色产品要求，如果能以绿色供应链的模式将产品拆解成逐一对应的化学物质与电子特性对应模式，并将供应之模式改为伙伴共同研发方式(如IC业之制程外围整合)，才有藉绿色技术转化成为竞争力提升的效能。  

      (二)电子零组件与材料的绿色规格  

     以零组件和材料的角度思考绿色规格，首先须以危害物质禁止做为出发点，综合在2003年迄今的电子产品绿色技术要求中，铅、镉、汞、铬六价、聚氯乙烯、溴系耐燃剂等物质的禁止使用成为主流，简述如下:  

    *铅：某些情况(现用的铅酸电池)能够解除禁用，2007后会严格检讨禁用的幅度及技术可行性。  

    *汞：某种类型的灯泡允许使用水银。  

    *镉：电镀涂装及某些特定原件的需求虽在，禁用仍未更改。  

    *六价铬：铬只有在六价铬的时候才被禁用，金属铬和三价铬都不会被禁用。(不过未因应2008年的趋势跨国电子产品厂商已经着手进行非铬系的替代技术)  

    *聚氯乙烯(PVC)：由于PVC的价格便宜、优良的加工性及可加工成如皮革的触感及成膜性，当作电子产品的最佳塑料件，惟因为使用中的毒性物质释出与废弃物处理(燃烧)时的危害物逸散。  

    *多溴联苯(PBB)：PBB当作塑料的耐燃剂使用，虽然PBB已不再生产，不过某些回收塑料可能仍然含有PBB。  

    *多溴二苯醚(PBDE)：PBDE是由以下的防燃剂所组成：  

    *四溴二苯醚(Tetra-BDE)：此产品已不再生产，不过可能会在回收材料中发现。  

    *五溴二苯醚(Penta-BDE)：此产品不常用于电子设备，主要用于家具。  

    *八溴二苯醚(Octa-BDE)：此产品用于电子设备的量相当少。  

    *十溴二苯醚(Deca-BDE)：此产品广泛用于电子设备，不过比以前的用量还少。  

     (三)目前已发展有害物质替代技术的方向  

    (1)铅的替代品：  

    (a)焊材的无铅化研究，可替代无铅焊料最基本的性能介绍如下：  

    *熔化温度  

    焊料的熔化温度不能太高，否则它的过高工作温度将会引起电路板和电子组件形成热缺陷(不应该超过200度)。焊料的熔化温度也不能太低，因为通常电子产品的工作温度在50到80度之间，电路板的最高温度可达到125度。  

    *安全性  

    据美国和欧洲的研究，对无铅的替代金属的安全性给出了如下的结论：Ag和Cu可以在无铅合金中少量使用；Sn和Zn是人类食谱中的必须元素，但如果用量过多也有可能有毒性，Sn由于其价格低廉、资源丰富并具有令人满意的物理性能，因此，通常被用做基体金属；Bi是一种相当温和的金属，在药品中使用了很久的历史。其他功能还有湿润性和力学性能，导电率和热导率。  

    *无铅焊料  

    主要的型态为，锡-银-铜合金、锡-银-铋合金、锡-锌合金、锡-铜合金。  

    *值得注意的趋势  

    日系电子厂于2006年6月初在日本电路板展(JPCAShow)中，发表Sn-Cu-Ni-Ge系的无铅焊材；而中国大陆在2006年4月合并于中国RoHS法规的发布时，亦提出以Sn-Cu-Ni-Ce为主的无铅焊材，是否会成为另一波以Sn-Cu-Ni为基础搭配成的四个合金系的新无铅焊材市场趋势值得观察。  

    (b)热安定剂中铅的替代研究

   PVC的稳安剂就是在PVC加工过程以及使用过程中能抑制制品变色、性能变坏的添加剂。PVC在外在因素，如热、光、氧等因素的条件下，易发生降解和交联反应，使其加工困难、性能下降。老化和降解是PVC加热加工过程中不可回避的问题，所以在PVC的热加工过程中必须加入一定数量的热安定剂。热安定剂在各种塑料助剂中占的比重最大。  

    目前市场上所使用的热安定剂大致可以分为以下几类：  

    *盐基性铅盐热安定剂  

    这类热安定剂是指结合有PbO的无机和有机酸铅盐，是PVC最常使用的热安定剂，现在仍在大量使用，一般具有很强的结合氯化氢的能力，对于PVC脱氯化氢既无抑制作用，也无促进作用。  

    *金属皂类热安定剂  

    *有机锡类热安定剂  

    表现出卓越的通用性、安全性和高效热稳定性，其中的一部分无毒品种，可用于食品包装，医药包装等方面。  

    *有机金属热安定剂  

    通常是作为辅助安定剂与金属盐安定剂并用，产生协同效应。  

    *有机锑热安定剂  

    在国外，有机锑化合物已经用作高分子材料用的低毒、无毒、高效热安定剂，可以部分替代有机锡和Ca-Zn液体无毒安定剂。欧洲在使用有机锑类安定剂方面，以辛基锑为主，占60%，丁基锑次之，占30%。  

    *稀土类安定剂  

    是近年来新开发的PVC热安定剂的一类，具有无毒、价格适中、用量少、热稳定效果好等特点。稀土化合物作为PVC的热安定剂始于70年代。日、法、英等国做了很多有益的工作，并发表了这方面的文献和专利。他们发现这些热安定剂的稳定性比钡皂、镉皂和它们的混合物好，耐侯性和透明性显著，而且无毒。但是因这些国家稀土资源贫乏，原材料价格太贵，无法进行深入研究和推广应用。在中国大陆在80年代提出，稀土化合物应用于PVC塑料热安定剂。  

    由于PVC材质(除了建筑的管材及公共管道的管材外)，在绿色法规的趋势中被归纳为危害性物质必须禁用，在电子产品市场正快速萎缩及被取代中，所以此项替代研究是否仍具效益值得观察。  

     (2).镉的替代品  

    镉在电子与汽车产品中，主要的功用如下所述：  

    *颜料、油漆：塑料制品的着色粉、调色剂。  

    *安定剂：塑料制品的安定剂。  

    *釉类、金属的表面涂层：防腐、防?等功能。  

    *电池：电极添加剂。  

    替代方式为将可塑剂的添加置换为，锡-锡合金、锌-锌合金、铝涂层、镍、环氧化物等可塑剂涂层。  

    (3).六价铬的替代品  

    铬及其化合物是冶金、金属加工，电镀铬、油漆颜料等产业常用的基本原料。钝化处理是通常称为转化处理技术的一种，其技术原理是将基体金属表面从活化状态变为钝化状态，从而使基体金属溶解变缓。这样形成的覆盖层可以认为是基体金属的腐蚀产物和所用钝化处理液中离子的还原产物两者的混合物。镀锌层上最常见的附加防护措施是铬酸盐钝化处理。经铬酸盐处理形成的铬/金属混合物钝化膜比较紧密，本身又耐蚀，与基体金属又有很好的结合，同时膜层中的三价铬化合物是不溶于水的，它构成了铬酸盐的骨架，使膜层具有足够的强度，并具有良好的化学稳定性。而膜中的六价铬化合物是可溶性的，它在膜层中起着填充的作用，使得铬酸盐膜具有自愈合能力。由于铬酸盐钝化成本低廉，使用简单，而且钝化后所得膜层耐蚀性极好，可满足多种要求，因而在航空、电子和其他工业制造广泛的应用，一直受到人们重视而沿用至今。  

    铬(六价)的替代，在寻找铬酸盐替代物这一方面，从无机物方面做了大量的研究工作，譬如利用钼酸盐、钨酸盐、稀土盐、锆酸盐等等，但效果均不佳。因此逐渐转向了有机物方面。采用含有丙烯酸树脂、钼酸盐/磷酸盐的钝化液替代有毒的铬酸盐钝化液对热镀锌层进行钝化，具有耐蚀性良好的钝化膜。并且该钝化液无毒，且处理技术简单，成本较低廉。但目前的研究大多数只是停留在实验室阶段，应用于少量生产。其中丙烯酸树脂钝化经过了实验室试验，都取得了较好的效果。  

    (4).PBB、PBDE(含溴系耐燃剂)的替代品  

    耐燃剂目前以磷系耐燃剂、锑系耐燃剂、氢氧化铝/氢氧镁碱性耐燃剂等为主。在工业上用量最大的耐燃剂是卤化物、磷酸酯、氧化锑、氢氧化铝机硼酸锌。比较理想的耐燃剂应满足基本条件如下：  

    *耐燃效率高，获得单位耐燃效能所需的用量少。  

    *耐燃剂无毒或低毒，燃烧时所产生的有毒和腐蚀气体及烟量尽可能少。  

    *与被耐燃基材的兼容性好，不易迁移和渗出。  

    *有足够高的热稳定性，在被耐燃基材加工温度下不分解，且分解温度不易过高。  

    *不会过多恶化被耐燃基材的加工性能和最后产品的物理－机械性能及电器性能。  

    *有可接受的紫外线稳定性和光稳定性。  

    *原料来源充分，制造技术简单，价格低廉。  

    目前国内使用的溴系耐燃剂品种主要有十溴二苯醚、四溴双酚A、三(2，3－二溴丙基)异氰?酸酯、四溴双酚A双(2，3－二溴丙基)醚、六溴环十二烷、溴化石蜡等。十溴二苯乙烷是九十年代美国Albemarle公司开发的一类新型溴系耐燃剂，具有含溴量高、耐燃性好、毒性低、热和光稳定性优异的特点。由于其分子中没有醚键，因此燃烧时不会产生Dioxin问题，是一种替代十溴二苯醚的优良耐燃剂。

    无卤耐燃剂主要有有机磷系和卤－磷系、磷－氨系、锑系、铝－镁系、硼系。锑系耐燃剂是最重要的一类无机耐燃剂。其单独使用时耐燃作用很小，但与卤系耐燃剂并用时，可大大提高卤系耐燃剂的效能，主要品种是三氧化二锑、胶体无氧化二锑机锑酸钠，其中三氧化二锑用量最大，几乎是所有卤系耐燃剂不可缺少的添加剂。  

    无卤耐燃剂主要为氢氧化铝、氢氧化镁等碱性金属化合物。氢氧化铝资源丰富，价格便宜，具有无毒、不挥发、不析出、不产生腐蚀性气体、发烟量低等优点，是国际市场上需求量最大，而且用途最广的耐燃剂。氢氧化镁耐燃剂的开发时程晚于氢氧化铝，同样具有无毒、无烟、无腐蚀性、安全价廉的优点，而且开始释放结晶水的温度高于氢氧化铝，对于某些需要在较高温度下加工的塑料制品而言，氢氧化镁更为合适。  

    低烟无卤耐燃电线电缆具有耐燃，且燃烧时烟雾浓度低，无有害、腐蚀性气体逸出的特点。在技术先进国家已普遍推广应用于重要场所。国外研制无卤耐燃电缆料较为先进的公司有美国碳联公司，英国的林德斯、威廉姆斯公司、日本的日立电线公司等。  

    (5).汞的替代  

    目前我们生活中所使用的干电池中均含有汞、锌等有害重金属。汞还经常存在于颜料及荧光灯材料中。  

    (a)对锌锰电池的无汞化的方法  

    *电极添加剂  

    在电极制备时直接将添加剂加入到电极的活性材料中，一般加入金属氧化物或氢氧化物。  

    *电解质添加剂  

    电解质中加入氧化锌可以减慢锌电极自溶蚀的速度，抑制氢气的析出。  

    *集电体的表面处理  

    由于无汞电池中锌膏不含汞，锌粉之间的接触电阻变大，在进行大电流放电时会增加奥姆降，降低电池的性能和缩短电池的使用寿命。目前，国内外厂家主要是在集电体表面电镀一层金属铟。从降低成本的角度考虑，还可选用价格低廉的锌、锡镀层来代替价格较高的铟镀层而不会降低电池的性能。  

    (b)颜料及荧光灯中的汞  

    从颜料颜色上分析，呈鲜红、鲜黄等颜色的颜料一般要添加如铅、镉、六价铬等重金属。国内已经开始使用如三聚磷酸铝、磷酸锌、云母氧化铁等防?颜料，替代传统有毒的红丹、铬黄等铅铬系防?颜料。英国普内门化学工业有限公司，即ICI世界集团是全球第一家推出所有油漆产品中不添加铅和汞的油漆公司。  

    LCD背光模块中的光源则是以LED取代具有汞含量的CCFL产品，未来LED在显示器市场应用，主要利基在于LED寿命与耐震动，衍生高可靠性、低耗能、低成本以及LED为无汞光源。目前小型(7吋)显示器用背光源CCFL价格较LED为低，但由于LED近年来价格大幅下滑，以及LED不需使用Inverter，整体背光模块成本CCFL优势便不会明显。在LED价格持续滑落及单位使用量减少影响下，预期若CCFL背光模块与LED背光模块价格将相等，阻碍LED发展的最大因素将消除，当LED背光模块成本与CCFL背光模块无差异后，LED特性上优势将更为显著。  

    三、对电子零组件与材料厂商建议  

    (1)最正确信息的掌握  

    *掌握并分析最正确信息  

    *尽快完成绿色数据库建置，以达到信息高透明度：  

    (2)因应绿色技术造成的成本提升与技术建立  

    *为对应成本提升或上游材料产业要不要因应绿色技术需求而投入designin的问题，可与财团法人合作在政府的产业协助项目支持下寻求研究并解决之道。  

    *因应绿色技术需求的趋势，零件厂与材料厂须以十年为一衡量期建立自我的技术与材料需求Roadmap。  

    (3)可靠度是绿色技术的核心  

    *目前尚有许多绿色材料方向尚未明确(例如无卤、Coating等)，这些都是台湾厂商的机会。而「可靠度」是一大关键重点，因为材料进入制程后可能发生变化，因而产生问题，且越下游问题越多值得更下工夫，提早准备以因应绿色技术的需求。(4)绿色技术需求成为未来产业链整合动力  

    *参加终端产品国际大厂的技术发表会收集一手信息，参与合作研发的机制掌握零组件与材料供应主动权。  

    *台湾零组件与材料厂商须，加强与国际大厂的互动，联合公协会与技术单位发表绿色技术与绿色制程的供应能力，以建立产业的绿色技术国际能见度。