منذ أن سنّ الاتحاد الأوروبي تشريعاً رسمياً “خالٍ من الرصاص” في ديسمبر 2003، شعرت صناعة الإلكترونيات العالمية بتأثير قوي. وبحلول يوليو 2006، دخلت توجيهات الاتحاد الأوروبي بشأن نفايات المعدات الكهربائية والإلكترونية (WEEE) وبشأن تقييد المواد الخطرة (RoHS) حيز التنفيذ. وفي الوقت نفسه، دخلت القواعد الخالية من الرصاص والخالية من الهالوجين الصادرة عن جمعية صناعات الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات اليابانية (JEITA) والرابطة الوطنية الأمريكية لمصنعي الأجهزة الكهربائية (NEMA) لصناعة التغليف الإلكتروني حيز التنفيذ. فمنذ ذلك الحين، يجب ألا تحتوي المنتجات الإلكترونية المطروحة في الأسواق على الرصاص أو الزئبق أو الكادميوم أو الكروم سداسي التكافؤ أو كميات محدودة من ثنائي الفينيل متعدد البروم (PBB) أو الإيثرات ثنائية الفينيل متعددة البروم (PBDE) وغيرها من المواد الضارة. ويؤثر هذا التغيير على سلسلة التوريد العالمية وتطوير الصناعات ذات الصلة، بما في ذلك قطاع ثنائي الفينيل متعدد البروم. يشرح هذا المقال، عبر التحكم في المواد الخام، واختيار ومراقبة العمليات الخالية من الرصاص، والتجميع النهائي SMT، كيف يمكن للجيل القادم من منتجات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أن يلبي القواعد البيئية الصارمة بشكل متزايد.
1. اختيار ومراقبة المواد الخام
ومن المعروف جيداً أن الزئبق والكادميوم والكروم سداسي التكافؤ لا يستخدم أبداً تقريباً في صناعة ثنائي الفينيل متعدد الكلور. وبصرف النظر عن الكميات الضئيلة في المعالجة الرطبة، لا يستخدم صانعو ثنائي الفينيل متعدد الكلور هذه العناصر عن عمد. لذا، عند اختيار المواد الخام والعمليات، فإن الحفاظ على مستويات الرصاص (Pb) والهالوجين تحت الحدود هو المطلب الرئيسي لتلبية القواعد البيئية الأساسية. وبالنسبة للتشطيبات المعدنية لسطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور، فإن الهدف هو أن تكون خالية من الرصاص (أقل من 0.11 تيرابايت ثلاثي الفينيل متعدد الكلور). ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدي و SMT وتستخدم الصناعات الكثير من سبائك الرصاص والقصدير، مثل سبائك الرصاص والقصدير ومعجون اللحام. الرصاص عنصر معدني ثقيل وهو موجود على نطاق واسع في الطبيعة. عندما يتجاوز تناول الإنسان للرصاص المستويات الآمنة، يمكن أن تظهر أعراض مثل فقر الدم ونقص الكالسيوم وانخفاض المناعة.
1.1 لماذا نستخدم اللحام الخالي من الرصاص؟
الضرر الناجم عن الرصاص في اللحام: على الرغم من أن الرصاص الموجود في اللحام يمثل حصة صغيرة من إجمالي استخدام الرصاص في بعض المقاييس، إلا أنه يمكن أن ينتشر ويصعب استعادته بالكامل. يدفع التلوث البيئي والمخاوف من التسمم بالرصاص إلى الابتعاد عن الرصاص. في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، تستخدم الهالوجينات (الفلور F، والكلور Cl، والبروم Br، واليود I) بشكل رئيسي في الرقائق والأحبار.
1.2 فحص المواد 1.2
يحتوي ثنائي الفينيل متعدد الكلور النهائي بشكل أساسي على ثلاث مجموعات من الأشياء: الصفائح (المادة الأساسية)، وطبقات الطلاء السطحي المعدني، والأحبار.
1.2.1 المادة الأساسية
الشرائح الشائعة مثل FR-4 وCEM-3 غالباً ما تحتوي على الكثير من راتنجات الإيبوكسي المبرومة. ويمكن أن تشتمل هذه الراتنجات على رباعي البروم ثنائي الفينول أ وثنائي الفينيل متعدد البروم والإيثرات ثنائية الفينيل متعددة البروم. عندما تحترق هذه المواد، يمكن أن تطلق مركبات شديدة السمية مثل الديوكسينات (TCDD) والفيورانات. إذا تناول البشر هذه المركبات، فمن الصعب إزالتها من الجسم وتشكل مخاطر صحية خطيرة. لذلك، يجب أن تنتقل صناعة الصفائح المكسوة بالنحاس إلى مواد أساسية خالية من الهالوجين. ويعني خلوها من الهالوجين أن الكلور والبروم كلاهما أقل من 0.09%. استخدام راتنجات الإيبوكسي المحتوية على الفسفور لتحل محل راتنجات الإيبوكسي المبرومة. استخدام راتنجات الفينول المحتوية على النيتروجين لتحل محل عوامل المعالجة التقليدية ثنائية الديسيندياميد.
كما يجب أن تتمتع الرقائق الصديقة للبيئة بمقاومة قوية للحرارة. يجب أن تتحمل عدة دورات إعادة التدفق SMT الخالية من الرصاص حوالي 260 درجة مئوية دون أن يتغير لونها أو تتشقق أو تتشوه أو تتشوه أو تتشوه.
1.2.2.2 الطبقات المعدنية السطحية
وتستخدم الصناعة الآن على نطاق واسع الطلاء الخالي من الرصاص الخالي من الرصاص بصيغة القصدير والفضة والنحاس (على سبيل المثال، 95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu) بدلاً من سبائك الرصاص والقصدير. يجب أن تُظهر طلاءات سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور الخالية من الرصاص ترطيباً وتدفقاً جيداً. ويجب أن تنتج إجهاداً حرارياً منخفضاً وتقاوم الأكسدة في درجات الحرارة العالية. وهذا يساعد على معالجة SMT الخالية من الرصاص. يجب أيضًا أن يكون التدفق المستخدم في HASL صديقًا للبيئة وقابلًا لإعادة التدوير ومتوافقًا مع تدفقات SMT بحيث يتم إعادة التدفق معًا.
1.2.3 1.2.3 الأحبار
تشتمل الأحبار المتبقية على ثنائي الفينيل متعدد الكلور على أحبار قناع اللحام وأحبار الأسطورة وأحبار التعبئة عبر. تتشابه تركيبات الحبر مع تركيبات التصفيح. وهي تحتوي بشكل أساسي على الراتنج ومثبطات اللهب المبرومة وعوامل المعالجة. العديد من العلامات التجارية الحديثة للحبر تنتج بالفعل أحبارًا بدون مواد ضارة. يجب أن يفي اختيار الحبر بالقواعد البيئية وأن يتحمل أيضًا دورات SMT المتكررة الخالية من الرصاص في درجات الحرارة العالية. يجب ألا تتشوه الأحبار أو يتغير لونها أو تتقشر أو تتشقق بعد المعالجة.
1.2.4 مراقبة المواد الخالية من الرصاص
تعد إدارة المواد الخام رابطًا مهمًا جدًا لإنتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصديق للبيئة. على سبيل المثال، إذا تمت إضافة قضيب لحام يحتوي على الرصاص عن طريق الخطأ إلى وعاء من القصدير النقي، فقد تكون النتيجة كارثية. يجب عدم تجاهل المخلفات من المواد غير المباشرة مثل التدفق. وتشمل التدابير العملية ما يلي:
إعداد رموز المواد للمواد الخام الخالية من الهالوجين والخالية من الرصاص.
استخدم علامات ملونة واطبع ملصق “أخضر” معتمد على العبوة الخارجية والداخلية.
قم بتخزين المواد الصديقة للبيئة بشكل منفصل في المستودع وفي أرضية الإنتاج. تعيين موظفين محددين لإضافتها في الإنتاج.
تنفيذ برنامج اعتماد “الموردين المؤهلين المؤهلين”.
2. اختيار ومراقبة العمليات الخالية من الرصاص
تشمل العمليات السطحية الخالية من الرصاص لثنائي الفينيل متعدد الكلور: النيكل/الشمع، والنيكل/الشمع النيكل/الشمع غير الكهربائي/الشمع الأحمر الغاطس (مادة عضوية حافظة لقابلية اللحام)، والقصدير الغاطس (القصدير الكيميائي)، والفضة الغاطسة (الفضة الكيميائية).
2.1 خطوات إدخال العمليات الخالية من الرصاص
اتبع الخطوات التالية: التصميم الهندسي ← التطوير التقني ← تقييم الموثوقية ← شراء المواد ← تنفيذ المشروع وطرحه تقنيًا.
2.2 تنفيذ العملية والتحكم فيها
2.2.1 التصميم الهندسي CAM
يجب أن يأخذ التصميم على مستوى المشروع لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصديقة للبيئة في الاعتبار التأثيرات على المعالجة اللاحقة لـ SMT ووظيفة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بعد التجميع. يجب أن يأخذ عمل CAM في الحسبان خطوات SMT.
مثال على تصميم التخطيط (التوجيه وأشكال الوسادة):
منع حركة المكونات أثناء اللحام الموجي أو الانتقائي. اجعل بعض أقطار اللبادات أصغر قليلاً لتقليل خطر التلاصق.
منع توصيل رصاص QFP أثناء اللحام الموجي. إذا لزم الأمر، قم بإمالة أجزاء QFP وتصميم مناطق لحام وهمية.
بالنسبة للرقائق اللينة الذائبة، احتفظ بالقواعد السابقة. ضع فتحات الرقائق الواقية بالقرب من الحواف الداخلية.
منع اعوجاج اللوح:
تحقق من مقاومة اللوح للحرارة. انتبه إلى درجات الحرارة القصوى للذوبان الناعم تحت الرطوبة.
بالنسبة للألواح الكبيرة أو الألواح التي تحمل أجزاء ثقيلة، قم بإعداد مناطق دعم في المنتصف لتقليل الالتواء.
عند وضع الأجزاء، حاول أن يكون توزيع الكتلة الحرارية متساويًا.
من السهل أن تلتوي الألواح الرقيقة متعددة الطبقات أو الألواح ذات الأخاديد المقطوعة تحت حرارة الذوبان الناعم. ضع في اعتبارك الشكل والحجم بعناية.
2.2.2.2 التطوير التقني
يعد تطوير العمليات والتحكم فيها مجالاً رئيسيًا لإنتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصديق للبيئة. وتشمل الإجراءات العملية ما يلي:
لا تقم بتشغيل المواد الصديقة للبيئة وغير الصديقة للبيئة على نفس الخط. عمليات منفصلة مثل التحميض والتنظيف النهائي.
وضع علامة المنتجات الصديقة للبيئة على أوراق تعليمات التصنيع (MI). اشتراط توقيع يؤكد خلو العملية من الرصاص لتذكير المشغلين.
اجعل أدوات وتركيبات إنتاج المنتجات الصديقة للبيئة واضحة من خلال ملصقات مرئية.
يجب أن تتحمل الأحبار أحبار SMT الخالية من الرصاص ذات درجات الحرارة العالية المتكررة. المعالجة المسبقة وتجفيف الركيزة مهمان للغاية. بعد استخدام HASL أو SMT الخالي من الرصاص، قد يتقشر الحبر عند حواف الثقوب. ويأتي ذلك غالبًا من الرطوبة المتبقية في الثقوب وعلى الأسطح. تحت الحرارة العالية، تتمدد الرطوبة وتفصل الحبر عن النحاس.
لا تضيف مخففات إلى حبر قناع اللحام. هذا يتجنب التبخر السريع للمذيب في الثقوب تحت حرارة عالية، مما قد يتسبب في تلف الثقب.
حافظ على محتوى النحاس في أواني لحام HASL أقل من 0.85%.
2.2.2.3 تقييم الموثوقية
بالمقارنة مع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور غير البيئية، تحتاج مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصديقة للبيئة إلى اختبارات موثوقية أقوى. أضف هذه الاختبارات:
اختبار قابلية اللحام. استخدم نفس نوع اللحام الخالي من الرصاص الذي سيستخدمه الإنتاج.
اختبار الصدمة الحرارية. الظروف: -40 درجة مئوية / 85 درجة مئوية / 125 درجة مئوية. بعد 3000 دورة يجب ألا يكون هناك أي تشققات.
اختبار التدوير الحراري. لا تشققات ولا فراغات انكماش.
اختبار الحرارة الرطبة. الظروف: 60 درجة مئوية و90-951 درجة مئوية رطوبة نسبية لمدة 500 ساعة. في ظل درجة الحرارة والرطوبة المرتفعة على المدى الطويل، يجب ألا تكون هناك نواتج تشبه الخفقان المعدني.
3. ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصديق للبيئة في التجميع النهائي SMT
3.1 خصائص SMT الخالية من الرصاص
يتميز اللحام الخالي من الرصاص بنقطة انصهار أعلى. ويُظهر ترطيبًا وتدفقًا أقل، وإجهادًا حراريًا أعلى، وقابلية ترطيب أضعف، وأكثر عرضة للأكسدة. وهذا يتطلب شروط تصنيع ومراقبة جودة أكثر صرامة.
3.1.1.1 تصميم خط SMT
زيادة درجة حرارة التسخين المسبق. تحكم في سرعة خط SMT إلى حوالي 1.2-1.8 م/دقيقة. اضبط إمالة الناقل على 3-5 درجات. توفير تعويض حراري عند الحاجة حتى تظل منطقة SMT في درجة حرارة ثابتة.
لضمان ترطيب جيد، حافظ على نطاق درجة حرارة التسخين المسبق المناسب.
وعاء اللحام والتحكم الحراري:
يجب أن تظل درجة حرارة سطح الجزء على اللوح أقل من الحد الحراري المضمون بينما قد تصل درجة حرارة الجانب الخلفي للوح إلى حوالي 250 درجة مئوية. تقصير المسافة بين مراحل التسخين للحفاظ على انخفاض درجة الحرارة بين الموجات في حدود 55 درجة مئوية تقريبًا.
عند استخدام لحام Sn-Ag-Cu، قد يكون من الممكن التوقف عن استخدام الموجة الأولى.
3.1.2 إعادة اللحام اليدوي
اضبط درجة حرارة مكواة اللحام على حوالي 370 ± 10 درجة مئوية. استخدم طرف مطلي بالكروم. استخدم مكواة بقوة 80 واط لأوقات تلامس قصيرة مثل 3 ثوانٍ. سخن الركيزة إلى 50-60 درجة مئوية. إذا لم يتم استخدام مكواة اللحام لفترة طويلة، قم بتنظيف الملوثات من الطرف. بلل الطرف بلحام جديد، ثم قم بإيقاف تشغيل الطاقة لمنع الأكسدة.
3.1.3 استخدام حماية النيتروجين وفوائده
تحسين جو العملية.
تقليل الأكسدة وتحسين ترطيب اللحام على خيوط المكونات.
تحسين المظهر، حيث تكون الوصلات الخالية من الرصاص أقل لمعاناً.
تقليل تغير اللون الناتج عن التعرض الطويل لدرجات الحرارة العالية في العمليات الخالية من الرصاص.
3.2 الأبحاث والملاحظات العملية الخاصة
3.2.1 دراسة لحام منخفض نقطة الانصهار أقل من 125 درجة مئوية كخيار للحالات الخاصة.
3.2.3.2 استخدم طرق التسخين الموضعي (التسخين الموضعي أو الأشعة تحت الحمراء أو الترددات اللاسلكية) للحام أجزاء معينة عند درجة حرارة 240-260 درجة مئوية. يجب أن تتحمل الأجزاء الحرارة لأكثر من 40 ثانية. قد تشمل أدوات التسخين الموضعي الليزر، أو وميض الزينون (بدون تلامس)، أو المنزلقات الساخنة، أو السخانات النبضية (التلامسية).
3.2.3 اتباع معايير مثل ISO 14000 ومواصفات عملية العميل. وتشمل الممارسات الخضراء المواد الخالية من الرصاص والخالية من الهالوجينات، وتنقية الهواء، وأنظمة استرداد التدفق التي يمكنها تصفية وإعادة تدوير حوالي 901 تيرابايت 3 تيرابايت من التدفق.
3.2.4 استخدام تدابير مكافحة العفن الفطري ومكافحة النمل الأبيض عند الحاجة لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
3.2.5 البحث عن ركائز ثنائي الفينيل متعدد الكلور العضوية القابلة لإعادة التدوير والقابلة للتحلل الحيوي وتطبيقها.
4. قائمة مرجعية موجزة للمهندسين وفرق الإنتاج
التحقق من جميع شهادات تحليل المواد الخام (COA). التأكد من أن مستويات الهالوجين والرصاص أقل من الحدود المسموح بها. الاحتفاظ بملفات COA لعمليات التدقيق.
استخدام تخزين منفصل ووضع ملصقات واضحة للمواد الخالية من الرصاص والمواد الخالية من الهالوجين. تدريب الموظفين على تجنب التلوث التبادلي.
تحديث قواعد CAD وCAM للمعالجة الخالية من الرصاص. اضبط مقاسات اللوحة وفتحات قناع اللحام حسب الحاجة.
إجراء عمليات التشغيل التجريبي وتقييم قابلية اللحام والصدمات الحرارية والدوران الحراري واختبارات الحرارة الرطبة. تتبع النتائج ومقارنتها بخط الأساس.
التحكم في تركيبة حمام HASL ومراقبة محتوى النحاس. الحفاظ على التحكم الجيد في عمليات الطلاء والتنظيف.
تأكد من استقرار مناطق التسخين المسبق على خطوط SMT. استخدم النيتروجين عند الإمكان لتقليل الأكسدة.
تحسين خطوات التجفيف والخبز لإزالة الرطوبة قبل العمليات ذات درجات الحرارة العالية. استخدام أفران مضبوطة لتجفيف الركيزة.
ضع الطلاء المطابق عندما يتطلب استخدام المنتج أو البيئة حماية إضافية من الرطوبة.
الحفاظ على عمليات تدقيق الموردين والموافقة فقط على الموردين المؤهلين في مجال البيئة. اشتراط إقرارات الموردين فيما يتعلق بحالة RoHS والحالة الخالية من الهالوجين.
التخطيط لإعادة التدوير في نهاية العمر الافتراضي. التصميم من أجل التفكيك واستعادة المواد عندما يكون ذلك ممكناً.
5. ملاحظات ختامية
إن استيفاء قواعد RoHS ليس مجرد تغيير مادي. إنه تغيير عبر سلسلة التوريد بأكملها. فهو يؤثر على اختيار المواد، ومراقبة عملية المصنع، وتصميم المنتج، والتجميع النهائي. كما أنه يغير الاختبارات وأعمال الموثوقية على المدى الطويل. يجب على الفرق التخطيط بعناية والعمل على خطوات. ابدأ بالرقابة الصارمة على المواد وتصميم CAM. تطوير عمليات مستقرة خالية من الرصاص. إجراء اختبارات موثوقية شاملة. تدريب المشغلين والاحتفاظ بسجلات واضحة. من خلال هذه الخطوات، يمكن لصانعي ثنائي الفينيل متعدد الكلور تقديم منتجات متوافقة مع RoHS وموثوقة للعملاء وللبيئة.
