無鉛製程專區
專利問題譯文

 

 無鉛專利的紛爭 意味著空白的一年

2000年1月爆發的無鉛焊材專利紛爭,在2001年2月終於結束了。 成為問題的焊材,在無鉛焊材中被視為主流。機器製造商在這一年被迫不能使用此焊材。阻礙其使用的專利問題,國內各機器製造商以何種方式去對應,經過這一年來,由於各製造商所走的路徑不同,也開始呈現在無鉛化發展態勢的差異。

 

上圖採用不含鉛焊材(無鉛焊材)的產品陸續上市 (日立製作所、NEC、PIONEER、三洋電機及SONY等之無鉛焊材產品)

機器製造商的組裝技術者,終於放下心頭大石了。 被視為無鉛焊材主流的Sn-Ag-Cu焊材所引發美日之間專利的紛爭,在2001年2月終於落幕了。 從此事件浮出檯面以來,約經過一年的時間,這一年就像是凍結主流焊材之空白的一年。 在此期間,對機器製造商的影響是難以估計的。各製造商如何去渡過,其對無鉛焊材導入各有不同的方向性和態勢。

此專利紛爭,在無鉛焊材實用化中被潑冷水的製造商透露:日本國內使用Sn-Ag-Cu焊材的製造商,因此專利的紛爭,使原計劃輸入美國的產品無法進行,因而不得不變更無鉛焊材導入的計劃。 但是,並非所有的製造商都對無鉛焊材的導入踩煞車。事實上也有在意識到專利問題的同時,為了著實進行採用無鉛焊材而規劃其戰略,加速導入無鉛焊材的製造商。 就在製造商被專利牽絆的情形下,開始一起走向無鉛化。


戰略有三種類型

震撼業界的無鉛焊材專利紛爭以及圍繞在相關事件的問題,並非只是組裝業界的話題。對於選定了視為主流的材料,想要使用時,卻遇到有專利的問題,而且還已經有為了此材料而引發紛爭的事件。在此紛爭結束之前,恐怕無法使用此材料。像這樣的情形在很多業界都可能發生。而如何因應無鉛焊材採用的戰略,製造商大概可分為三種:

1. 採用在特性上有缺點,未被視為主流,但與專利紛爭無關之材料。
2. 基本上想使用主流成分的焊材,一面關注著專利問題,一面在主流成分中加入少許與專利不抵觸的材料來使用,同時也進行與專利無關之新材料的研究開發。
3. 等待專利紛爭結束後,再使用主流材料。

對於被視為無鉛焊材主流的Sn-Ag-Cu系所引起的美日間的紛爭,機器製造商這一年在迴 避專利問題的情形下導入無鉛焊材。
各製造商採取的戰略可分三種:

1. 採用與專利紛爭無關的Sn-Ag-Cu-Bi系,避免紛爭,快速進入無鉛化。
2. 採用與專利紛爭相關的Sn-Ag-Cu系,同時也採用與其無關的Sn-Zn系或研究開發新的焊材。
3. 等待專利紛爭解決之後,再行導入Sn-Ag-Cu系無鉛焊材。

屬於1類型的,即所謂的:高風險,高報酬類型。雖然所選材料比主流材料較不易使用及材料相關資料很少。但是如果能克服而使用的話,便可無視專利紛爭的動向,而集中焦點在其他的材料上,以自己的步調進行採用。

屬於2類型的,將使用材料分為與主流接近的材料和其他材料。與主流相近的材料,雖然使用上比較容易,但也不能保證一定能完全迴避專利問題。因此,準備了其他材料作為預備材料使用。且在對應專利紛爭變化的同時,從事主流以外的材料開發,可更機動的選擇材料。

屬於3類型的,為低風險,低報酬類型。在專利的紛爭結束之前,只有繼續等待。雖然未直接受到專利紛爭的影響,比起1,2類型來說,在導入無鉛化的腳步會較遲。


 

無鉛化的道路才剛開始

機器製造商間的無鉛化競爭就像上述3種類型,目前跑在最前面的是1類型的製造商,其採用了與專利Sn-Ag-Cu不同的焊材;接下來是些微差距的2類型製造商,在進行採用Sn-Ag-Cu系焊材的同時,也進行採用別種焊材或從事其研究開發。 


而與前兩類型差距甚大的是只採用Sn-Ag-Cu系焊材的製造商(註1)。 雖然如此,但目前無鉛化道路才剛剛開始,今後尚有無鉛焊材適用機種的擴大及具無鉛電極端子零件的採用等任務等待解決。 


說到專利的問題,被提及的材料問題也僅止於美日之間。機器製造商對於臺灣製的Sn-Ag-Cu系焊材用於臺灣製的零件上可否輸入日本存在著疑問?且此次成為焦點的專利,在2000年9月有人以個人名義向特許廳提出異議之申請,可能成為新的火種,機器製造商對於審決的動向非常關心。

SONY採用與專利紛爭無關的無鉛焊材,在2001年3月上市販賣的CAMERA一體型VTR[DCR-TRV30],以Su-Ag-Cu-Bi系焊材,並未引起專利紛爭。

機器製造商苦心積慮的避免捲入專利紛爭之中。

採用Sn-Ag-Cu系無鉛焊材的機器製造商,為了不捲入愛荷華州立大學和千住金屬工業的專利紛爭,所選擇的組成合金。美國NEMI或英國Soldertec Ltd.所推薦的Sn-Ag-Cu系焊材,與千住金屬工業專利組成範圍的一部分重疊。

EMI和Soldertec相當於日本的電子情報技術產業協會(JEITA)的美,英團體。


 

以Sn-Ag-Cu-Bi系突破

今後,各式各樣的阻攔在等待著無鉛化競爭。現在走在最前面的1類型團體內的代表性製造商為SONY。SONY以與此次專利紛爭無關之Sn-Ag-Cu-Bi(Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi)系焊材而言,早已是被選定為該公司之標準無鉛焊材;所以並未受到此次專利紛爭的影響,而更在這一年加速進行無鉛化(註2)

Sn-Ag-Cu-Bi系焊材,比Sn-Ag-Cu系成分增加了Bi成分,因而具有較好的潤濕性,但是變得較為脆化,不易使用。使許多製造商望而卻步。

對此,SONY 表示:Sn-Ag-Cu-Bi的弱點,早已完全克服並可使用,而之所以會選擇此焊材不是為了迴避專利,而是比較了各種焊材特性後決定的。

許多機器製造商以主流的Sn-Ag-Cu系無鉛焊材為主軸進行。

(a) 如日立製作所在專利紛爭解決之前,其筆記型電腦[FLORA 220TX] 已使用了此無鉛焊材;
(b) 三洋電機PHS的末端顯示[RZ-J91]在2001年 1月開始使用Sn-Ag-Cu系焊材,今後也會持續使用;
(c) 數位相機[IDC-1000Z(通稱iDshot)]在2001年2月開始導入Sn-Ag-Cu-Bi系焊材, 在專利紛爭解決了以後,改用Sn-Ag-Cu系焊材;
(d) SHARP冰箱等以 Sn-3Ag-0.5Cu成分焊材正式使用。

 

 


 

從主力工廠和主力產品開始

SONY以Sn-Ag-Cu-Bi為主軸,進行無鉛化。其最具象徵性的為其製造子公司SONY幸田Tec,SONY製品的組裝子公司集結而成於2001年4月誕生為SONY 的主力工廠。

SONY在此工廠全面導入對應無鉛焊接的設備,在2001年3月已完成約百數台的設備更新。至今仍未有過任何一家公司導入如此多的無鉛焊接設備。

而全面更換為Sn-Ag-Cu-Bi系焊材的最初產品為CAMERA一體型的VTR,於2001年3月上市販賣(註3)

此機種在SONY CAMERA一體型VTR當中屬於主力機種。在主力工廠及主力產品之無鉛化完成後,SONY其他的工廠及其他的產品也開始展開無鉛化,幸田Tec以外的工廠也導入無鉛焊接設備,也有適用無鉛焊材的產品了。


 

選擇不抵觸專利的組成合金

相對於選擇與專利無關的焊材為主軸進行無鉛化的SONY、日立製作所、NEC及東芝等許多的機器製造商,以同時採用幾種焊材的戰略,且幾乎都以專利相關的 Sn-Ag-Cu系為主力焊材,而其中以採用Sn-3Ag-0.5Cu為最多(註4)

例如:NEC 研究員河野英一便指出:綜觀各類焊材,以Sn-Ag-Cu系最為適合使用。所以,NEC在其PHS等製品上開始採用Sn-3.5Ag-0.75Cu。這些產品因為只在日本國內販賣,所以並未涉及到美國愛荷華州立大學的專利。但是,輸出產品使用此焊材時,便涉及到是否抵觸到愛荷華州立大學專利之問題。為此,在其他產品無鉛化得同時,所使用的焊材便由Sn-3.5Ag-0.75Cu變更為Sn-3Ag-0.5Cu,於2000年4月全面實行。河野表示此為不抵觸專利的安全組成領域。

其他製造商也和NEC一樣提出對策。例如:富士通、三洋電機等,當初也考慮使用Sn-3.5Ag-0.75Cu;最後因為有專利問題、成本的問題及其它公司的動向之考量,而決定改用Sn-3Ag-0.5Cu。

日立製作所方面的動向並不很明確,但是也使用了不抵觸專利的Sn-Ag-Cu系合金焊材。

表一、機器製造商採用的主要無鉛焊材

焊材種類
Sn-Ag-Cu系
Sn-Ag-Cu-Bi系
Sn-Zn系
代表性的組成
Sn-3Ag-0.5Cu(JEITA推薦焊材) Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi(SONY公司內標準焊材) Sn-8Zn-3Bi(NEC一部分的產品有使用)
主要採用製造商
富士通、日立製作所、松下電器產業、NEC、PIONEER、三洋電機、SHARP及東芝等 日立製作所、PIONEER、三洋電機及SONY等 NEC
研究開發中的製造商
許多製造商已經實際使用過 日本BICTER等 富士通、日立製作所、日本BICTER、三洋電機、SHARP及東芝等
優 點
有實際使用,焊接信賴性高 熔融溫度比Sn-Ag-Cu系低(210℃~220℃),潤濕性較好。 熔融溫度與現行的焊材相近(Sn-8Zn-3Bi的溫度為187℃~197℃),成本較低
缺 點
熔融溫度較高(Sn-3Ag-.5Cu的溫度為+218℃),成本較高 脆化,延展性差 目前必須在氮氣環境下焊接,潤濕性差
零件的耐熱保證溫度和各 焊材的熔融溫度差
(⊿T)
⊿T最小,約為10℃~15℃ ⊿T較小,約10℃~20℃ ⊿T較大,約40℃左右

附註:⊿T越小,焊接溫度控制越難,需要高精度的裝置。焊接時加高溫度對零件會有不良的影響。


 

專利紛爭的解決受到製造商們的歡迎

以改變組合的負面變更方式進行的各採用Sn-Ag-Cu系的製造商而言,是欣見解決專利紛爭問題的。(參考附錄一:急轉直下解決專利紛爭,兩者的權利合併供應)。 許多機器製造商覺得應該沒有抵觸到愛荷華州立大學的專利而選擇了Sn-3Ag-0.5Cu,但是若說絕對沒有問題,心中仍存有許多的不安。在專利紛爭未完全解決之前,每家製造商都不願成為第一家輸入美國的製造商。

甚至SHARP 還一度希望在紛爭未解決之前,有關輸入美國的產品表示願意直接支付權利金給愛荷華州立大學。

由於專利紛爭的終結,也有從別種焊材變更為Sn-Ag-Cu系焊材的製造商。如三洋電機在2001年2月開始使用Sn-Ag-Cu-Bi系焊材於數位相機上,現今已決定變更焊材為Sn-Ag-Cu系焊材(註5)。在電鍋製造上,目前正檢討變更為Sn-Ag-Cu系焊材。

東芝方面,筆記型電腦和HDD所導入之焊材,以Sn-Ag-Cu系列和其他焊材並行的方案進行檢討,在紛爭解決後,已決定Sn-Ag-Cu 系為唯一無鉛焊材。  


 

阻擋Sn-Ag-Cu系的牆

Sn-Ag-Cu系焊材在進入實用化所帶來的除了專利問題外,還可看出幾道阻礙。 採用Sn-Ag-Cu系之製造商大部分就像東芝一樣在Sn-Ag-Cu系之外研究開發其他種類來一併進行,最大的問題在於Sn-Ag-Cu系焊材的熔融溫度為 215℃~220℃,現行焊材為183℃,Sn-Ag-Cu系高出了30℃,而焊材的熔融溫度提高後,電子零件的耐熱溫度也必須被要求提高(註6)

現行零件之耐熱溫度為230℃~240℃,製造商則要求其溫度提高到 250℃~260℃。

但是實際上零件依然和以往的耐熱溫度一樣。故焊材的熔融溫度和零件的耐熱溫度差縮小為10℃~15℃。因此,焊接設備要比從前在溫度控制上面更為精密,而製造商也口徑一致的表示不得不導入最新的焊接設備。


 

受矚目的Sn-Zn系焊材

所有的產品和其附屬的週邊機器,為了排除現行的焊材,不僅是自己公司的工廠、協力工廠及海外工廠等所有生產據點的焊接設備都必須更換,而投下巨額的設備資金。協力工廠要在何時導入?導入的規模?也無法確切的掌握?

其實製造商的心聲是希望盡量以現有設備來導入無鉛焊材。因此,機器製造商便注意到了Sn-Zn 焊材,其熔融溫度約為187℃~197℃,與現行的焊材最為接近,可直接利用現行設備使用。零件耐熱溫度也不需要提高。而且沒有Sn-Ag-Cu系中所含成本較高的Ag,焊材成本較低。

由上述原因,許多製造商都認為無鉛焊材中最有力的候補者不是Sn-Ag-Cu而是Sn-Zn。之前以Sn-Ag-Cu系及Sn-Zn系兩者並行的製造商,可能會因為Sn-Zn系焊材的實用化而快速進入無鉛化。



Sn-Zn系實用化的實例 很快會出現

Sn-Zn系焊材已被實用化了。NEC於1999年10月以Sn-8Zn-3Bi的組合焊材用於生產筆記型電腦上,其理由為因應Chip Set等耐熱溫度低的問題,故選擇了Sn-Zn系焊材。有此採用實例的契機,Sn-Zn系一躍而成為受矚目的焊材,許多機器製造商和焊材製造商都投入對Sn-Zn系焊材的研究開發(註7),而Sn-Ag-Cu系的長期專利紛爭也間接助長了對Sn-Zn系焊材的研究開發。

但是截至目前為止,除了NEC之外,並未有任何一家製造商將Sn-Zn系焊材實用化的例子。最大的障礙是Sn-Zn系焊材非常容易氧化。現狀是需要使用N2裝置來對應,若以現有的焊接設備將無法對應。儘管如此,許多製造商對Sn-Zn系的實用化並未放棄,如富士通認為:Sn-Zn是最有魅力的焊材,不能捨棄它。三洋電機表示:一定有方法可以克服障礙使用Sn-Zn。東芝則把能在大氣中使用此焊材定為目標。

昭和電工及日本研磨等多家焊材製造商認為應該對這些意見有所回應,而展開熱烈的開發競爭。焊材原料供應商的三井金屬表示:以焊材的特性來看,相信每個月焊材的順位都會有所改變。雖然不知道詳細的內容,但好像即將會有在大氣中使用Sn-Zn的製造商出現。昭和電工表示:只要有一個實用的例子出現的話,追隨的製造商會急劇增加,進而Sn-Zn的使用將快速的普及化。

採用Sn-Zn系無鉛焊材的產品NEC販賣的筆記型電腦[Versa Pro]。 

 

 

 

 


 

美日以外的對應不明朗

在此一年之間,大部分的機器製造商都進行無鉛焊材的導入,而美日之間的專利紛爭也結束了。 但是這並不代表無鉛化的障礙已完全排除。機器製造商對於日本以外的問題應如何對應都存在著疑問。

例如:臺灣的組裝製造商從臺灣的焊材製造商購入焊材,以此生產零件再輸入給日本的機器製造商製造產品(完成品)輸出至美國。此例在個人電腦來說,是很有可能的事例。

像這樣的情形,臺灣的焊材或零件要輸入日本時,必須取得千住金屬工業的許可,而如再經由日本輸入美國時,必須取得愛荷華州立大學的許可。 不管怎樣,手續會變得很複雜。為了避免這樣的複雜情形發生,千住金屬工業等與海外焊材製造商開始交涉,以締結許可契約。 

放大另外,機器製造商還有一件擔心的事情,對千住金屬工業的專利,在2000年9月有人以個人名義向特許廳提出異議之申請,預計在2001年5月~6月間會公佈審決結果,許多機器製造商對此事件的結果非常關心。

 

專利紛爭解決後的美,日,美日以外國家的焊材和焊材適用之產品的 往來方式。 千住金屬工業,松下產業與愛荷華州立大學,日本Superior在2001年2月對 Sn-Ag-Cu系無鉛焊材的專利紛爭事件和解。合意內容為 (1) 千住金屬工業對屬於其公司之[專利第3027411號]所屬範圍的焊材,許可其在日本製造,使用,販賣等之通常實施權(無再實施權)。 (2) 日本Superior 同意以千住金屬工業專利製造的焊材所生?之產品有輸入美國的權利,但不包含焊材本身在美國使用,販賣的權利。 兩公司以(1)(2)項內容合併提供許可證給日本各焊材製造商,其焊材無論是用於 日本國內或輸出美國的產品上使用,一律支付權利金。


註1: Sn-Ag-Cu系在Reflow製程及Flow製程都可使用,主要還是以Reflow 製程為多數,在Flow製程上也有使用Sn-Cu系焊材。
註2: 在本文內焊材組成的表示如Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi,其組成比例為Ag2.5%,Cu0.5%,Bi1%,其餘為96%為Sn成分。
註3 : 此機種的零件數為1500點,在SONY製品當中是最難組裝的製品。而SONY卻敢於將其導入無鉛化。因為SONY認為如果此製品都能無鉛化,在別的製品上便能更輕易的導入無鉛化。此外,以此產品導入無鉛焊材,只有主機的配線基板,但在2001年8月止,SONY集團委託的協力廠商所生產的電池、AC接續器及連接器等周邊機器也全面計劃導入無鉛化焊材。
註4: Sn-3Ag- 0.5Cu 是在專利紛爭摩擦當時,由電子情報技術產業協會(JEITA)於2000年6月所推薦而決定的組合。
註5 : Sn-Ag-Cu-Bi系焊材的組成為Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi。與SONY所使用的成分相同。
註6 : 零件商認為大部分的零件,依目前的規格應該可以對應,關於一部分的零件在封裝或?部的電極的材料有必要變更。例如PC所使用的CHIP SET的耐熱保證溫度為偏低的+220℃,故需要求提高其保證溫度。
註7 : 隨著研究開發活躍的同時,有關Sn-Zn系的專利申請也跟著增加。在日本國內就超過了40件以上。因此,有人認為可能會像Sn-Ag-Cu系焊材般引起專利紛爭的隱憂。但是如被視為主流的Sn-8Zn-3Bi是眾所皆知的合金,大多數人認為會引起專利紛爭的可能性很小。

附錄一

急轉直下解決專利紛爭 兩者的權利合併供應

此次無鉛焊材專利紛爭正式開始於2000年1月。千住金屬工業和松下電器產業共同提出申請之Sn-Ag-Cu系無鉛焊材專利在日本國內通過,為此紛爭的開端。 此專利所記載的焊材組成與愛荷華州立大學在美國取得的專利有一部分是重疊的。於是便發生了千住金屬工業只能在日本而愛荷華州立大學只限於美國行使權利的情形。 因此,例如日本國內製造商,以千住金屬工業所賦予權利的焊材從事生產製品,要輸入美國時便與愛荷華州立大學專利相抵觸。也因為擔心會被愛荷華州立大學要求支付權利金而不敢採用此專利之焊材。

2000年底開始急速展開

為了解決上述的問題,千住金屬工業以締結許可契約的方式與愛荷華州立大學從2000年3月開始交涉。同年6月松下電器產業以中間人的身份,促成千住金屬工業與取得愛荷華州立大學許可契約的日本SUPERIOR公司洽談。但是事情並不是順利的發展。以專利為基礎,從事製造,販賣的焊材製造商和非常重視專利為智慧財產權的大學法人,在立場不同的情況下,交涉進行並不順利。 而事情有急轉變是在2000年11月底,在製造商們的強烈要求之下,千住金屬工業對日本國內10幾家機器製造商發行暫定許可證。以此為契機,同年12月26日,兩公司達成基本的同意,之後又取得同意之內容的文字化及最後確認,終於在2001年2月14日,此專利紛爭完全結束了。

譯自日本 nikkei electronics 2001.5.7 (no.795)