Otkako je Evropska unija decembra 2003. godine formalno donijela propis o “bez olova”, globalna elektronička industrija osjetila je snažan utjecaj. Do jula 2006. godine stupile su na snagu direktive EU o otpadu električne i elektroničke opreme (WEEE) i o ograničenju opasnih supstanci (RoHS). Istovremeno su na snagu stupila i pravila o proizvodima bez olova i bez halogena Udruženja japanske elektronike i informacione tehnologije (JEITA) i Nacionalnog udruženja proizvođača električne opreme SAD-a (NEMA) za industriju elektroničkog pakovanja. Od tada, elektronički proizvodi koji se stavljaju na tržište ne smiju sadržavati olovo, živu, kadmij, heksavalentni hrom, ograničene količine polibromiranih bifenila (PBB) ili polibromiranih difenil etera (PBDE) i druge štetne supstance. Ova promjena utječe na globalni lanac snabdijevanja i razvoj povezanih industrija, uključujući sektor PCB-a. Ovaj članak objašnjava, kroz kontrolu sirovina, odabir i kontrolu olovnih procesa te konačnu montažu SMT-a, kako proizvodi PCB-a nove generacije mogu ispuniti sve strože propise o zaštiti okoliša.
1. Odabir i kontrola sirovina
Dobro je poznato da se živa, kadmij i heksavalentni krom gotovo nikada ne koriste u industriji PCB-a. Osim u tragovima pri mokloj obradi, proizvođači PCB-a ne koriste ove elemente namjerno. Stoga je, pri odabiru sirovina i procesa, održavanje razina olova (Pb) i halogena ispod propisanih granica glavni zahtjev za ispunjavanje osnovnih ekoloških propisa. Za površinske metalne obrade PCB-a, cilj je da budu bez olova (ispod 0,11 TP3T Pb). Tradicionalni PCB i SMT Industrije su koristile mnogo legura olova i kalaja, kao što su HASL i pasta za lemljenje. Olovo je teški metalni element i široko je rasprostranjeno u prirodi. Kada ljudski unos olova premaši sigurne nivoe, mogu se pojaviti simptomi poput anemije, nedostatka kalcijuma i smanjenog imuniteta.
1.1 Zašto koristiti kalaj bez olova?
Šteta od olova u lemu: Iako je olovo sadržano u lemu mali dio ukupne potrošnje olova u nekim razmjerima, ono se može širiti i teško ga je u potpunosti ukloniti. Zagađenje okoliša i zabrinutost zbog trovanja olovom potiču odmak od olova. U tiskanim pločicama (PCB) halogeni (fluor F, klor Cl, brom Br, jod I) uglavnom se koriste u laminatima i tintama.
1.2 Materijalni pregled
Gotova tiskane pločice uglavnom sadrže tri grupe elemenata: laminat (osnovni materijal), slojeve metalne površinske obrade i boje.
1.2.1 Osnovni materijal
Uobičajeni laminati kao što su FR-4 i CEM-3 često sadrže mnogo brominiranih epoksidnih smola. Ove smole mogu uključivati tetrabromobisfenol A, polibromirane bifenile i polibromirane difenil etere. Kada se ovi materijali zapale, mogu otpuštati visoko toksične spojeve poput dioksina (TCDD) i furana. Ako ljudi unesu takve spojeve, teško ih je ukloniti iz tijela i oni predstavljaju ozbiljne zdravstvene rizike. Stoga se industrija bakrenog laminata mora prebaciti na osnovne materijale bez halogena. Bez halogena znači da su i klor i brom ispod otprilike 0,091%. Koristiti epoksidne smole koje sadrže fosfor za zamjenu brominiranih epoksidnih smola. Koristiti fenolne smole koje sadrže dušik za zamjenu tradicionalnih sredstava za stvrdnjavanje na bazi dikinidiamida.
Također, ekološki prihvatljivi laminati moraju imati visoku otpornost na toplinu. Moraju izdržati više SMT reflow ciklusa bez olova pri otprilike 260 °C bez promjene boje, odvajanja slojeva, deformacije ili savijanja.
1.2.2 Površinski metalni slojevi
Industrija sada široko koristi olovni HASL bez olova s formulom kalaj–srebro–bakar (na primjer, 95,5Sn–3,9Ag–0,6Cu) umjesto legura olova i kalaja. Površinski premazi PCB-a bez olova moraju pokazivati dobru kapilarno naprezanje i tok. Moraju stvarati nisko toplinsko naprezanje i otporni su na oksidaciju na visokim temperaturama. To pomaže u obradi SMT-a bez olova. Fluks koji se koristi za HASL također mora biti ekološki prihvatljiv, reciklabilan i kompatibilan sa SMT fluksovima kako bi se zajedno refluksirali.
1.2.3 Tinte
Tinte koje se nanose na štampane pločice (PCB) uključuju tinte za masku za lemljenje, tinte za oznake i tinte za popunjavanje vijaka. Formula tinta je slična formulama laminata. Uglavnom sadrže smolu, brominirane retardante i sredstva za stvrdnjavanje. Mnogi moderni brendovi tinta već proizvode tinte bez štetnih supstanci. Izbor tinta mora biti u skladu s ekološkim propisima i izdržati ponovljene SMT cikluse bez olova pri visokim temperaturama. Tinte se nakon obrade ne smiju odvajati u slojeve, mijenjati boju, ljuštiti se ili pucati.
1.2.4 Kontrola materijala bez olova
Upravljanje sirovinama je vrlo važna karika u ekološki prihvatljivoj proizvodnji PCB-ova. Na primjer, ako se olovna leteća traka pogrešno doda u posudu s čistim kalajem, rezultat može biti katastrofalan. Ostatke indirektnih materijala, poput fluksa, ne smije se zanemariti. Praktične mjere uključuju:
Postavite kodove materijala za sirovine bez halogena i bez olova.
Koristite bojne oznake i odštampajte odobrenu “zelenu” etiketu na vanjskom i unutrašnjem pakovanju.
Skladištite ekološki prihvatljive materijale odvojeno u skladištu i na proizvodnoj liniji. Dodijelite određeno osoblje da ih uključi u proizvodnju.
Implementirati program certifikacije “zelenog kvalifikovanog dobavljača”.
2. Selekcija i kontrola procesa bez olova
Površinski procesi bez olova za štampane pločice uključuju elektrolitički naneseni Ni/Au, beoelektrolitički Ni/Au uranjanjem, OSP (organsko sredstvo za očuvanje lemljivosti), uranjanje u kalaj (kemijski kalaj) i uranjanje u srebro (kemijsko srebro).
2.1 Koraci za uvođenje procesa bez olova
Slijedite ove korake: inženjerski dizajn → tehnički razvoj → procjena pouzdanosti → nabavka materijala → implementacija projekta i tehničko uvođenje.
2.2 Implementacija i kontrola procesa
2.2.1 Inženjerski CAM dizajn
Dizajn na nivou projekta za ekološki prihvatljive PCB-ove mora uzeti u obzir utjecaje na naknadnu obradu SMT-a i funkciju PCB-a nakon sklapanja. CAM rad treba obuhvatiti SMT korake.
Primjer rasporeda (rute i oblici padova):
Spriječite pomicanje komponente tokom valnog ili selektivnog lemljenja. Smanjite prečnike nekih padova kako biste smanjili rizik od mostova.
Spriječite kratko spajanje QFP pinova tijekom talasnog lemljenja. Po potrebi nagnite QFP komponente i projektujte dummy lemne površine.
Za čipove s mekim otapanjem, zadržite ranija pravila. Postavite otvore zaštitne folije blizu unutrašnjih rubova.
Spriječite savijanje ploče:
Provjerite otpornost ploče na toplinu. Obratite pažnju na vršne temperature pri mekom otapanju pod vlagom.
Za velike daske ili daske koje nose teške dijelove pripremite potporna područja u sredini kako biste smanjili savijanje.
Prilikom postavljanja dijelova, pokušajte ravnomjerno rasporediti toplinsku masu.
Tanki višeslojni dasci ili dasci s izrezanim žlijebovima lako se iskrivljuju pod toplinom mekog otapanja. Pažljivo razmotrite oblik i veličinu.
2.2.2 Tehnički razvoj
Razvoj i kontrola procesa ključna su oblast za ekološki prihvatljivu proizvodnju PCB-a. Praktične mjere uključuju:
Nemojte obrađivati ekološki prihvatljive i neekološki prihvatljive materijale na istoj liniji. Odvojite procese poput razvijanja i završnog čišćenja.
Označite ekološke proizvode na MI (uputstvima za proizvodnju) listovima. Zahtijevajte potpis koji potvrđuje proces bez olova kako biste podsjetili operatere.
Učinite alate i pribor za proizvodnju ekoloških proizvoda vidljivim pomoću jasnih oznaka.
Tinte moraju izdržati višestruki SMT bez olova pri visokim temperaturama. Predtretman i sušenje podloge su vrlo važni. Nakon HASL-a ili SMT-a bez olova, tinta se može ljuštiti na rubovima rupa. To često nastaje zbog vlage koja je ostala u rupama i na površinama. Pri visokim temperaturama vlaga se širi i odvaja tintu od bakra.
Ne dodajte razrjeđivače u tintu za masku za lemljenje. Time se sprječava brzo isparavanje otapala u rupama pri visokim temperaturama, što može oštetiti rupe.
Održavajte sadržaj bakra u HASL lončevima za lemljenje ispod 0,851 TP3T.
2.2.3 Procjena pouzdanosti
U poređenju s neekološkim PCB-ovima, ekološki prihvatljivi PCB-ovi zahtijevaju rigoroznija ispitivanja pouzdanosti. Dodajte ove testove:
Test lemljivosti. Koristite istu vrstu olovne bezešavne lete koja će se koristiti u proizvodnji.
Test toplotnog šoka. Uslovi: -40 °C / 85 °C / 125 °C. Nakon 3000 ciklusa ne bi trebalo biti pukotina.
Test termičkih ciklusa. Nema pukotina i nema šupljina od skupljanja.
Test vlažne toplote. Uvjeti: 60 °C i 90–95%% vlažnosti zraka tijekom 500 sati. Pri dugotrajnoj visokoj temperaturi i vlažnosti ne smije doći do stvaranja metalnih vlaknastih formacija.
3. Ekološki prihvatljiv PCB u konačnoj SMT montaži
3.1 Karakteristike SMT-a bez olova
Olovo-slobodni lem ima višu tačku topljenja. Pokazuje slabije vlačenje i protok, veći toplotni napon, lošiju sposobnost vlačenja i skloniji je oksidaciji. To zahtijeva strože uslove proizvodnje i kontrolu kvaliteta.
3.1.1 Dizajn SMT linije
Povećajte temperaturu predgrijavanja. Kontrolirajte brzinu SMT linije na otprilike 1,2–1,8 m/min. Postavite nagib transportne trake na 3–5 stupnjeva. Osigurajte termičku kompenzaciju gdje je potrebno kako bi područje SMT ostalo na stabilnoj temperaturi.
Da biste osigurali dobro vlaženje, održavajte odgovarajući raspon temperature predgrijavanja.
Lemilica i termička kontrola:
Temperatura površine dijela na ploči mora ostati ispod zajamčenog toplinskog ograničenja, dok stražnja strana ploče može doseći oko 250 °C. Skratite udaljenost između faza grijanja kako bi pad temperature između valova bio unutar otprilike 55 °C.
Kada se koristi Sn–Ag–Cu lem, moguće je prestati koristiti prvi val.
3.1.2 Ručno ponovno lemljenje
Postavite temperaturu lemilice na oko 370 ± 10 °C. Koristite kromirani vrh. Koristite lemilicu od 80 W za kratko vrijeme kontakta, npr. 3 sekunde. Predgrijte podlogu na 50–60 °C. Ako lemilica stoji neiskorištena duže vrijeme, očistite vrh od nečistoća. Navlažite vrh svježim kalajem, zatim isključite napajanje kako biste spriječili oksidaciju.
3.1.3 Korištenje dušične zaštite i njene prednosti
Poboljšajte atmosferu procesa.
Smanjite oksidaciju i poboljšajte vlaženje kalaja na izvodima komponenti.
Poboljšajte izgled, jer su lemovi bez olova manje sjajni.
Smanjiti promjenu boje uzrokovanu dugotrajnom izloženošću visokim temperaturama u procesima bez olova.
3.2 Bilješke o istraživanju i posebni procesni biljezi
3.2.1 Istražiti kalaje s niskom temperaturom taljenja ispod 125 °C kao opciju za posebne slučajeve.
3.2.2 Koristite lokalne metode grijanja (tačkasto grijanje, infracrveno ili RF) za lemljenje određenih dijelova na 240–260 °C. Dijelovi moraju izdržati toplotu duže od 40 sekundi. Alati za lokalno grijanje mogu uključivati lasere, ksenonski bljesak (nekontaktni), vruće klizače ili pulsne grijače (kontaktne).
3.2.3 Slijedite standarde poput ISO 14000 i specifikacije procesa kupaca. Zelene prakse uključuju materijale bez olova i bez halogena, pročišćavanje zraka i sisteme za oporavak fluksa koji mogu filtrirati i reciklirati oko 90% fluksa.
3.2.4 Koristite mjere protiv plijesni i termita gdje je to potrebno za PCB-ove.
3.2.5 Istražiti i primijeniti reciklabilne i biorazgradive organske PCB podloge.
4. Sažeti kontrolni popis za inženjere i proizvodne timove
Provjerite sve certifikate analize sirovina (COA). Potvrdite da su razine halogena i olova ispod granica. Čuvajte COA datoteke za revizije.
Koristite odvojeno skladištenje i jasno označavanje za materijale bez olova i bez halogena. Obučite osoblje da izbjegava unakrsnu kontaminaciju.
Ažurirajte CAD i CAM pravila za obradu bez olova. Podesite veličine padova i otvore maske za lemljenje po potrebi.
Provedite probne pokuse i procijenite lemljivost, toplotni šok, toplotno cikliranje i testove pri vlažnoj toploti. Pratite rezultate i uporedite ih s početnim vrijednostima.
Kontrolirajte sastav HASL kupke i pratite sadržaj bakra. Držite procese galvanizacije i čišćenja dobro pod kontrolom.
Osigurajte da su zone predgrijavanja na SMT linijama stabilne. Koristite dušik kad god je to moguće kako biste smanjili oksidaciju.
Poboljšajte korake sušenja i pečenja radi uklanjanja vlage prije procesa na visokim temperaturama. Koristite kontrolisane pećnice za sušenje podloge.
Nanesite konformalni premaz kada upotreba proizvoda ili okruženje zahtijeva dodatnu zaštitu od vlage.
Održavajte revizije dobavljača i odobravajte samo zelene kvalificirane dobavljače. Zahtijevajte izjave dobavljača o usklađenosti s RoHS direktivom i o statusu bez halogena.
Planirajte reciklažu na kraju životnog vijeka. Dizajnirajte za rastavljanje i oporavak materijala kad god je to moguće.
5. Završne napomene
Usklađivanje s RoHS propisima nije samo promjena materijala. To je promjena u cijelom lancu opskrbe. Utječe na odabir materijala, kontrolu procesa u tvornici, dizajn proizvoda i konačnu montažu. Također mijenja testiranje i rad na dugoročnoj pouzdanosti. Timovi moraju pažljivo planirati i djelovati korak po korak. Počnite sa strogo kontrolom materijala i dizajnom za proizvodnju (CAM). Razvijte stabilne procese bez olova. Provedite temeljne testove pouzdanosti. Obučite operatere i vodite jasnu evidenciju. S ovim koracima, proizvođači tiskanih pločica (PCB) mogu isporučiti proizvode usklađene s RoHS direktivom i pouzdane za kupce i za okoliš.
