一、世界电子产品的无铅化及相关立法

铅锡合金焊料在电子工业中已经使用了多年。由于这类含铅连接材料以相对低廉的价格提供了较优异的机械、热和电性能，所以在电子工业中得到了广泛使用。据统计，目前全球电子行业每年使用焊料消耗的铅约为20,000 吨，大约占世界每年铅总产量的5％。

随着近年来人们对健康和环境问题越来越重视，铅的危害性也逐渐为大众所了解。人们工作、学习中所使用的电子产品越来越多，这些设备的更新周期也越来越短，每年都产生大量电子垃圾。由于这些含铅废弃物绝大部分都被直接掩埋，焊料中的铅会逐渐溶解到土壤和地下水中，经过各种循环方式又进入人们的生活用水中。铅在人体中沉积后会造成中毒，伤害肾脏、肺，引起贫血、生殖功能障碍、高血压等疾病，危害人体中枢神经。铅还会影响儿童的智商和正常发育。

传统铅锡焊料合金中含铅高达37wt％以上，是电子产品铅污染的主要来源之一。因此，人们提出电子产品铅含量不得超过0.1wt％这一标准，希望以此减少电子产品废弃物带来的铅污染。世界各国政府和机构组织纷纷采取各种措施，拟定相关法案法规，逐渐禁止铅在电子工业中的使用。日本通过了“家用电子产品回收法案”提出限制铅的使用，电子封装协会（JIEP，JapanInstitute of Electronics Packaging）在2002 年的最新无铅路线图中已经要求到2004 年底，所有电子元器件均不含铅，而到2005 年底彻底废除电子产品中铅的使用。日本的电子制造商态度也非常积极，Sony、NEC、、等公司早已开展了无铅方面的研究工作，目前已经全部或部分的实现了消费电子产品无铅化。事实上，日本大多数电子加工商和电子产品组装厂在2001 年已经完成了向无铅生产的工艺转换。

相比之下，欧洲在电子产品无铅化上态度也非常积极，要求非常严格。欧盟《电气与电子设备废弃物处理指导法令》（WEEE，The Waste Electrical and Electronic Equipment）和《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成份的指令》（RoHS，Restriction of Hazardous Materials）几经修改，于2003 年2 月13 日开始正式生效，其中RoHs规定“自2006 年7 月1 日起，在欧盟市场上销售的全球任何地方生产的属于规定类别内的电子产品中不得含铅。”目前看来，欧洲在实现电子产品完全无铅化上比日本要稍微落后一点，这主要是由于日本各大公司在无铅研究上起步较早，并且早已在部分电子产品上实现了无铅化。

美国政府还没有像日本和欧洲的电子废料回收和限制无铅生产那样，完全禁止电子产品铅的使用，但是一些组织和机构早已开始这方面的研究。上世纪90 年代初的一些法案提出限制电子产品中铅的使用，尽管因为技术和成本的原因没有通过，但是却给美国电子产业界带来极大的危机感。国家制造科学中心（NCMS，National Center for Manufacturing）在1993 年联合 11 家著名的大公司和一些研究机构，投入1100 万美元，历时4 年，寻找是否存在安全可靠、无毒且经济的可以取代传统锡铅焊料的无铅焊料。最后从79 种合金中筛选出了7 种有可能作为替代物的无铅合金。国家电子制造协会NEMI（National Electronics Manufacturing Initiative）于1999 年开始“NEMI无铅工程”，与美国主要的元器件和设备制造商、电子材料供应商以及许多研究机构进行合作，在电子封装无铅化方面做了大量工作，并制定了在北美地区实现无铅生产的路线图和时间表，希望借此满足美品出口欧洲和日本市场的要求。这些团体和机构以及许多大公司还积极游说美国国会进行相关立法工作，以全面禁止铅在电子工业中的使用。

国外在无铅实用化上已经有相关产品问世。比如1998 年10 月首先推出了无铅组装的袖珍MD；1999 年10 月NEC将无铅焊锡用于笔记本。北美的Notel Networks也已经生产出无铅电话。

我国电子产品无铅化进程相对比较落后，至今仍未出台相关的法规限制电子产品中的铅用量，商业化的无铅电子产品在国内也没有得到广泛推广。但是，随着我国电子产品出口逐年增加，在国际市场上的份额不断扩大，今后必定要受到进口国相关的无铅法规的约束，这就要求国内电子产品的无铅化也提到议事日程上来。

二、世界各国在无铅专利上的竞争

总体来讲，无铅封装是一个系统工程，它不仅仅指无铅焊料，还有相应的元件引脚及其覆层、电路板涂层等等都要求无铅。同时由于现有大量昂贵的电子产品生产设备与制造工艺大都是与传统锡铅焊料相适应的，所以向无铅的转变必然会带来大量明显的和潜在的各种问题。针对这个情况，产业界和各研究机构过去几年进行了大量研究，并申请了各种无铅相关专利。

例如，在开发新型无铅焊料方面，提出了各种各样成分的焊料合金。一般是以Sn 为基本金属，添加其他各种金属元素，如Ag、Cu 等。比较常见的合金成分主要有Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Cu-Bi、Sn-Ag-Cu-Sb、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-In、Sn-Zn、Sn-Bi-Zn 等。

图1. 世界电子产品无铅专利增长示意图（数据来源：Michael Pecht, University Maryland）

图1 为在世界几个主要国家注册的无铅专利数量增长示意图（截止到2002 年）。

很明显，专利数量呈迅速增长，上世纪90 年代之前的无铅专利主要来自于铅管工业和铜焊业，在此之后，世界各地无铅专利急剧增加。这主要是由于当时刚刚出现一些禁铅提案，刺激了许多厂商开始启动无铅研究。

图2. 在世界各国申请和已获授权的专利数量比较（数据来源：Michael Pecht, University Maryland）

图2 是日、美、欧及世界其它地区提交的待批准专利申请与已公布的专利申请数量的比较。

非常明显，日本的专利申请最活跃，在该地区提交的专利申请是已授权专利数量的两倍，甚至超过了美国，由此可以看出日本正力图在无铅知识。产权上取得地位。相比之下，欧洲和世界其它地区提交的专利申请数量明显少于已授权的专利。

图3. 截止到2002 年世界范围内无铅相关专利的所属国家或地区的分布

（数据来源：Michael Pecht, University Maryland）

按照专利所属国家和地区以及机构进行的分类如图3 所示。显而易见，日本和美国是注册无铅专利数量最多的两个国家，分别占到了1/4 以上。由于许多最先进的电子制造和封装技术都是在这两个国家诞生的，比如IBM发明的倒装芯片技术，所以他们开展无铅方面的研究拥有极其雄厚的技术基础。而且，日本和美国都拥有巨大的电子产品消费市场来推广和保护本国无铅专利。从图中还可以发现，欧洲整体上同样拥有很大的无铅专利份额，欧洲各国及机构的拥有总数也占到了大约1/4。这是由于欧洲公众环保意识很强，法律法规上对铅的使用限制颇为严格，所以他们也相当重视无铅方面的研究。与此形成鲜明对比的是，我国注册的无铅专利数量极少，只占世界总数的不到2％，这与我国现在作为世界电子产品制造和出口中心的地位极不相称。如果这种状况得不到改善，到全世界全面禁铅之时，国内电子工业将面临一个可怕的无铅专利壁垒。

图4. 世界各大公司在无铅专利上的竞争（数据来源：Michael Pecht, University Maryland）

图4 为美国和日本各大公司提交的和已获授权的专利数量比较。日本厂商的领先优势非常明显，松下电工的专利数量领先第二名近一半。事实上，后面可以看到，日本公司尤其是松下在中国的专利申请数量也是最多的。

三、在我国申请注册的无铅专利发展概况

截至到目前，从中国知识产权局官方网站上可以查到的在中国注册的B23K类无铅专利共有35 个。其中，美国2 个，日本18 个，韩国4 个，新加坡1 个，国内10 个。可以看出，我国拥有知识产权的专利还不到30％。而在这35 个专利中，已经通过审定授权的只有8 个，其中日本5 个，韩国3 个。由于申请时间相对较晚，国内目前还没有一个专利经过了审定授权。所以，从这个比较可以看出，日本厂商在我国申请无铅专利非常积极，起步很早，其意图不言而喻。

表1：1999～2003 年各国在我国申请B23K 类无铅专利的数量
（括号内为当年获得授权的专利数量，截至到2003 年8 月）

图5. 在我国申请B23K 类无铅专利的申请人所属国家列表
（包括申请公开的和已获授权的，截至到2003 年8 月）

最早开始在中国申请无铅专利的是日本日立和韩国电子。他们早在1995 年就提交了无铅方面的专利申请。三星在1998 年获得了其中2 个专利授权，均是以SnAgBi 为主要成分的无铅焊料。紧随其后的是日本厂商的大规模申请。从1995 到1999 年，日本厂商共提出了7 个无铅专利申请，并获得了其中5 个专利授权。

进入2000 年以后，一个非常令人鼓舞的现象就是——出现了来自国内的无铅专利申请。国内的无铅专利申请主要来自两个高校——北京工业大学和大连理工大学，各自申请了3 个专利。他们采用添加某些稀土元素的方法，以提高现有的无铅焊料合金性能。另外还有一些国内公司和个人也提出了无铅相关的焊料、设备或方法的专利申请。在此期间，日本厂商的申请数量也达到了11 个之多，也有来自美国和新加坡公司的申请。
一个令人费解的现象就是竟然没有一家欧洲公司在中国申请无铅专利。另外2003 年尚没有一个申请。

四、无铅焊料专利说明的完善和侵权

目前比较常见的无铅焊料合金系统包括Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Cu-Bi、Sn-Ag-In 等等。由于NEMI 的推荐和一些大公司的推动，Sn-Ag-Cu 合金有望成为今后的主流。许多无铅专利都是以这个系统为基础，通过添加某些其它元素以改变或改善性能，或者获得某些特殊性能。另外，由于Sn-Ag 系合金已经拥有了一些实际应用，它也将在今后的无铅焊料市场中占有一席之地。而Sn-Cu 系合金则以其价格相对低廉的特点被推荐用于要求不高的低端电子产品生产，尤其是波峰焊中。事实上，几乎没有任何专利所申明的合金是单一特定成分的，单一成分的合金专利几乎没有任何意义，因为实际生产过程中所用的焊料不可能与某个特定成分完全匹配，多少都有些偏差。所以，绝大多数无铅专利所申明的合金都包含一个成分范围，而且这个范围一般都很宽。这就带来了一个问题，许多专利有可能因此产生范围上的重叠，或者成分上极其相似。设铅电子产品进入美国市场后，被发现其所采用的焊料合金成分处于该美国专利所申明的保护范围之内，这该如何处理？也许可以认为该产品侵犯了美国专利，但是也可以认为由于还存在某些其它元素（这是生产过程中不可避免的）而没有侵权，判断侵权与否的尺度难以度量。

因此，申请或使用新型无铅焊料时必须格外小心，否则很容易在无意中就侵犯了别人的专利权。甚至连NEMI 推荐的Sn-3.9Ag-0.6Cu 这一公开的合金成分也受到了质疑，因为使用这种合金也可能会侵犯某些专利。下表列出了几种受到专利保护的以Sn-Ag-Cu 为基本元素的合金体系。它们与NEMI 推荐的合金成分非常相似，有些只是加入了很少的其它元素，有些的声明范围甚至覆盖了Sn-3.9Ag-0.6Cu 这一成分内。而在实际生产过程中有意或无意中加入某些其它合金元素是不可避免的，实际合成分的比例也不可能完全非常精确的控制，这就有可能与专利声明的合金范围重叠而造成侵权。

表2. 可能与NEMI Sn-Ag-Cu 合金成分存在冲突的一些专利
（数据来源：Michael Pecht, University Maryland）

即使电子制造商使用自主研制的无铅焊料，也有可能陷入现有专利申明范围内。有观点认为，通过施加某些工艺可以突破专利的合金成份限制，避开专利纠纷。但是这种观点还是存在问题，因为大多数的专利说明都会涉及合金成份和应用范围两部分内容。如果专利说明做得很完善，比如在应用部分已经规定了电子装配焊接的一些特定用法，那么仍然很有可能造成事实上的侵权。

以日本日立公司在我国申请并已经获得授权的一项无铅焊料相关专利申请号95120505.6）为例。除了对某些成分范围内的Sn-Bi-Zn-In 合金进行保护外，还申明“8.根据权利要求1～7中任何一项所述的无铅焊料，其中，所述焊料的表面覆有厚度为1－10μm 的Sn 或Sn 合金。……10.权利要求1－9 中任何一项所述无铅焊料在将电子元件连接在有机基底上成为电子产品中的应用。……”。

有的专利申明甚至包括了一定成分的金属间化合物。也就是说，即使制造商使用一种专利规定范围以外的合金，但如果在制造过程中，此合金由于某些原因获得了其它金属成分并因而形成一种含有专利规定范围内的成份构成的金属间化合物的话（这种情况的出现几乎是不可避免的），那么制造商就会因侵犯了专利权而受到侵权诉讼。

经过以上分析可以看出，对于无铅专利的申请来说，申请时间应当越早越好。而且声明覆盖合金成分的范围应当尽量放中注明该专利所适用的元器件类型和工艺方法等。专利说明做得比较完善的一个例子是日本松下于2002 年在我国通过授权的一个无铅焊料相关专利，申请号为97122740.3。该专利覆盖了相关的合金成分、粒子比重和粒径、熔点、纯度、其它元素的微量程度、电子器件及其连接方法等等。只有把专利做得比较善，才能更好地维护自己的知识产权。遗憾的是，目前国内申请的无铅专利大多着重于合金成分的保护，很少有注意申明专利适用的焊点、元件基板类型、镀层和工艺方法等，这样就难免被钻空子。

从另一个角度来看，国内厂商在使用新型无铅焊料之前，应该首先查明与该合金成分相近的专利，避免陷入侵权纠纷。要确保不会无意中侵犯专利权，可以采取以下几个步骤：

首先查明产品生产地和出口地是否