Poté, co Evropská unie v prosinci 2003 formálně uzákonila “bezolovnatost”, pocítil světový elektronický průmysl silný dopad. V červenci 2006 vstoupily v platnost směrnice EU o odpadních elektrických a elektronických zařízeních (WEEE) a o omezení nebezpečných látek (RoHS). Současně vstoupila v platnost bezolovnatá a bezhalogenová pravidla Japonské asociace elektronického a informačního průmyslu (JEITA) a americké Národní asociace výrobců elektrických zařízení (NEMA) pro průmysl elektronických obalů. Od té doby nesmí elektronické výrobky uváděné na trh obsahovat olovo, rtuť, kadmium, šestimocný chrom ani omezené množství polybromovaných bifenylů (PBB) nebo polybromovaných difenyletherů (PBDE) a dalších škodlivých látek. Tato změna ovlivňuje globální dodavatelský řetězec a rozvoj souvisejících průmyslových odvětví, včetně odvětví PCB. Tento článek vysvětluje, jak lze v rámci kontroly surovin, výběru a kontroly bezolovnatých procesů a finální montáže SMT splnit stále přísnější ekologická pravidla u výrobků PCB nové generace.
1. Výběr a kontrola surovin
Je dobře známo, že rtuť, kadmium a šestimocný chrom se v průmyslu PCB téměř nepoužívají. Kromě stopových množství při mokrém zpracování výrobci PCB tyto prvky záměrně nepoužívají. Při výběru surovin a procesů je tedy hlavním požadavkem na dodržení základních ekologických pravidel udržet obsah olova (Pb) a halogenů pod limitními hodnotami. U povrchových kovových úprav desek plošných spojů je cílem, aby neobsahovaly olovo (pod 0,1% Pb). Tradiční PCB a SMT průmyslu se používalo mnoho slitin olova a cínu, například HASL a pájecí pasta. Olovo je těžký kovový prvek a v přírodě se vyskytuje ve velkém množství. Pokud příjem olova u člověka překročí bezpečné hodnoty, mohou se objevit příznaky jako anémie, nedostatek vápníku a snížená imunita.
1.1 Proč používat bezolovnatou pájku?
Poškození olovem v pájce: Přestože olovo obsažené v pájkách představuje v některých měřítkách jen malý podíl na celkovém množství použitého olova, může se šířit a je obtížné ho zcela odstranit. Znečištění životního prostředí a obavy z otravy olovem tlačí na odklon od olova. V PCB se halogeny (fluor F, chlor Cl, brom Br, jod I) používají hlavně v laminátech a barvách.
1.2 Třídění materiálu
Hotová deska plošných spojů obsahuje především tři skupiny věcí: laminát (základní materiál), kovové povrchové vrstvy a barvy.
1.2.1 Základní materiál
Běžné lamináty, jako např. FR-4 a CEM-3 často obsahují velké množství bromovaných epoxidových pryskyřic. Tyto pryskyřice mohou obsahovat tetrabromobisfenol A, polybromované bifenyly a polybromované difenylethery. Při hoření těchto materiálů se mohou uvolňovat vysoce toxické sloučeniny, jako jsou dioxiny (TCDD) a furany. Pokud člověk tyto sloučeniny pozře, jsou z těla těžko odstranitelné a představují vážné zdravotní riziko. Proto musí průmysl laminátů plátovaných mědí přejít na bezhalogenové základní materiály. Bezhalogenové znamená, že obsah chloru a bromu je nižší než přibližně 0,09%. Místo bromovaných epoxidových pryskyřic používejte epoxidové pryskyřice obsahující fosfor. Použijte fenolové pryskyřice obsahující dusík, abyste nahradili tradiční dikyandiamidová vytvrzovací činidla.
Ekologické lamináty musí mít také vysokou tepelnou odolnost. Musí vydržet několik bezolovnatých přetavovacích cyklů SMT při teplotě kolem 260 °C, aniž by došlo ke změně barvy, delaminaci, deformaci nebo deformaci.
1.2.2 Povrchové kovové vrstvy
V průmyslu se nyní běžně používá bezolovnatý HASL se složením cín-stříbro-měď (například 95,5Sn-3,9Ag-0,6Cu) namísto slitin olova a cínu. Bezolovnaté povlaky na povrch desek plošných spojů musí vykazovat dobrou smáčivost a tekutost. Musí vytvářet nízké tepelné napětí a odolávat oxidaci při vysokých teplotách. To napomáhá bezolovnatému zpracování SMT. Tavidla používaná pro HASL musí být také ekologická, recyklovatelná a kompatibilní s tavidly pro SMT, aby se přetavovala společně.
1.2.3 Inkousty
Barvy, které zůstávají na desce plošných spojů, zahrnují barvy pro pájecí masky, barvy pro popisky a barvy pro vyplňování průchodek. Vzorce inkoustů jsou podobné vzorcům laminátů. Obsahují především pryskyřici, bromované zpomalovače hoření a vytvrzovací činidla. Mnoho moderních značek inkoustů již vyrábí inkousty bez škodlivých látek. Výběr inkoustu musí splňovat ekologická pravidla a také přežít opakované vysokoteplotní bezolovnaté SMT cykly. Inkousty se nesmí po zpracování odlupovat, odbarvovat, odlupovat ani praskat.
1.2.4 Kontrola bezolovnatých materiálů
Hospodaření se surovinami je velmi důležitým článkem ekologické výroby desek plošných spojů. Pokud se například omylem přidá olověná pájecí tyčinka do hrnce s čistým cínem, může to mít katastrofální následky. Zbytky nepřímých materiálů, jako je tavidlo, se nesmí ignorovat. Mezi praktická opatření patří např:
Nastavení kódů materiálů pro bezhalogenové a bezolovnaté suroviny.
Používejte barevné značky a na vnější i vnitřní obal vytiskněte schválený “zelený” štítek.
Skladujte ekologické materiály odděleně ve skladu a ve výrobní hale. Přidělte konkrétní pracovníky, kteří je budou přidávat do výroby.
Zavedení certifikačního programu “zelený kvalifikovaný dodavatel”.
2. Výběr a řízení bezolovnatých procesů
Mezi bezolovnaté povrchové procesy pro desky plošných spojů patří galvanické pokovení Ni/Au, elektrolytické pokovení Ni/ponorné pokovení Au, OSP (organický konzervant pájitelnosti), ponorné pocínování (chemický cín) a ponorné stříbření (chemické stříbro).
2.1 Kroky k zavedení bezolovnatých procesů
Postupujte podle následujících kroků: technický návrh → technický vývoj → hodnocení spolehlivosti → nákup materiálu → realizace projektu a technické zavedení.
2.2 Realizace a kontrola procesu
2.2.1 Inženýrský návrh CAM
Návrh ekologicky šetrných desek plošných spojů na úrovni projektu musí zohlednit vliv na následné zpracování SMT a funkci desek plošných spojů po montáži. Práce CAM by měla zohledňovat kroky SMT.
Příklad návrhu rozložení (směrování a tvary podložek):
Zabraňte pohybu součástek při vlnkovém nebo selektivním pájení. Některé průměry podložek jsou o něco menší, aby se snížilo riziko přemostění.
Zabraňte přemostění vodičů QFP při pájení vlnou. V případě potřeby nakloňte díly QFP a navrhněte falešné pájecí oblasti.
U měkkých tavených chipsů dodržujte dřívější pravidla. Otvory ochranné fólie umístěte poblíž vnitřních okrajů.
Zabraňte deformaci desky:
Zkontrolujte tepelnou odolnost desky. Věnujte pozornost špičkovým teplotám měkké taveniny za vlhka.
U velkých desek nebo desek, které nesou těžké díly, připravte uprostřed opěrné plochy, abyste omezili jejich kroucení.
Při umísťování dílů se snažte o rovnoměrné rozložení tepelné hmotnosti.
Tenké vícevrstvé desky nebo desky s vyříznutými drážkami se pod vlivem tepla z měkkého taveniny snadno deformují. Pečlivě zvažte tvar a velikost.
2.2.2 Technický vývoj
Vývoj a řízení procesů je klíčovou oblastí pro ekologickou výrobu desek plošných spojů. Praktické kroky zahrnují:
Nepoužívejte ekologické a neekologické materiály na stejné lince. Oddělte procesy, jako je vyvolávání a konečné čištění.
Označte ekologické výrobky na výrobních listech (MI). Vyžadujte podpis potvrzující bezolovnatý proces, abyste to připomněli obsluze.
Zviditelněte nástroje a přípravky pro výrobu ekologických výrobků viditelnými štítky.
Inkousty musí odolávat opakovanému bezolovnatému SMT při vysokých teplotách. Předúprava a sušení substrátu jsou velmi důležité. Po HASL nebo bezolovnatém SMT se může inkoust na okrajích otvorů odlupovat. Často k tomu dochází kvůli vlhkosti, která zůstává v otvorech a na povrchu. Za vysokých teplot se vlhkost rozpíná a odděluje inkoust od mědi.
Nepřidávejte ředidla do inkoustu pro pájecí masku. Zabráníte tak rychlému odpařování rozpouštědla v otvorech za vysokého tepla, které může způsobit poškození otvorů.
Udržujte obsah mědi v pájecích nádobách HASL pod 0,85%.
2.2.3 Hodnocení spolehlivosti
V porovnání s neekologickými deskami plošných spojů vyžadují ekologické desky plošných spojů přísnější zkoušky spolehlivosti. Přidejte tyto testy:
Zkouška pájitelnosti. Použijte stejný typ bezolovnaté pájky, jaký se bude používat ve výrobě.
Zkouška tepelným šokem. Podmínky: -40 °C / 85 °C / 125 °C. Po 3000 cyklech by neměly být žádné trhliny.
Teplotní cyklický test. Žádné trhliny ani smršťovací dutiny.
Zkouška vlhkým teplem. Podmínky: 60 °C a relativní vlhkost 90-95% po dobu 500 hodin. Při dlouhodobě vysoké teplotě a vlhkosti by se neměly vyskytovat žádné produkty podobné kovovým metličkám.
3. Ekologicky šetrné PCB v konečné montáži SMT
3.1 Vlastnosti bezolovnatého SMT
Bezolovnatá pájka má vyšší bod tání. Vykazuje nižší smáčivost a tekutost, vyšší tepelné namáhání, horší smáčivost a je náchylnější k oxidaci. To vyžaduje přísnější výrobní podmínky a kontrolu kvality.
3.1.1 Konstrukce linky SMT
Zvyšte teplotu předehřevu. Regulujte rychlost linky SMT na přibližně 1,2-1,8 m/min. Nastavte sklon dopravníku na 3-5 stupňů. V případě potřeby zajistěte tepelnou kompenzaci, aby se v oblasti SMT udržovala stabilní teplota.
Pro zajištění dobrého smáčení dodržujte správný rozsah teplot předehřevu.
Pájecí hrnec a tepelná kontrola:
Povrchová teplota dílu na desce musí zůstat pod garantovaným tepelným limitem, zatímco na zadní straně desky může dosáhnout přibližně 250 °C. Zkraťte vzdálenost mezi jednotlivými stupni ohřevu, abyste udrželi pokles teploty mezi jednotlivými vlnami v rozmezí přibližně 55 °C.
Při použití pájky Sn-Ag-Cu je možné přestat používat první vlnu.
3.1.2 Ruční přepájení
Nastavte teplotu páječky na přibližně 370 ± 10 °C. Použijte chromovaný hrot. Použijte 80 W žehličku pro krátké doby kontaktu, např. 3 sekundy. Předehřejte podklad na 50-60 °C. Pokud je páječka delší dobu nepoužívaná, očistěte hrot od nečistot. Navlhčete hrot čerstvou pájkou a poté vypněte napájení, abyste zabránili oxidaci.
3.1.3 Použití ochrany proti dusíku a její výhody
Zlepšete atmosféru procesu.
Snižuje oxidaci a zlepšuje smáčení pájky na vývodech součástek.
Zlepšení vzhledu, protože bezolovnaté spoje jsou méně lesklé.
Snižuje změnu barvy způsobenou dlouhým působením vysokých teplot při bezolovnatých procesech.
3.2 Poznámky k výzkumu a zvláštním postupům
3.2.1 Studujte pájky s nízkým bodem tání pod 125 °C jako možnost pro zvláštní případy.
3.2.2 K pájení určitých dílů při teplotě 240-260 °C použijte místní metody ohřevu (bodový ohřev, infračervené nebo radiofrekvenční záření). Díly musí snášet teplo po dobu delší než 40 sekund. Mezi nástroje lokálního ohřevu mohou patřit lasery, xenonové blesky (bezkontaktní), horké jezdce nebo pulzní ohřívače (kontaktní).
3.2.3 Dodržujte normy jako např. ISO 14000 a specifikace procesů zákazníka. Mezi ekologické postupy patří bezolovnaté a bezhalogenové materiály, čištění vzduchu a systémy zpětného získávání tavidla, které mohou filtrovat a recyklovat přibližně 90% tavidla.
3.2.4 V případě potřeby použijte u PCB opatření proti plísním a termitům.
3.2.5 Výzkum a použití recyklovatelných a biologicky odbouratelných organických substrátů PCB.
4. Souhrnný kontrolní seznam pro inženýry a výrobní týmy
Ověřte všechny certifikáty analýzy surovin (COA). Ověřte, že obsah halogenů a olova je pod limitními hodnotami. Uchovávejte soubory COA pro účely auditů.
Používejte oddělené skladování a jasné označení pro bezolovnaté a bezhalogenové materiály. Proškolte zaměstnance, aby se vyhnuli křížové kontaminaci.
Aktualizace pravidel CAD a CAM pro bezolovnaté zpracování. Podle potřeby upravte velikosti plošek a otvorů pro pájecí masku.
Proveďte zkušební testy a vyhodnoťte pájecí schopnosti, teplotní šok, tepelné cykly a testy vlhkého tepla. Sledujte výsledky a porovnávejte je se základními hodnotami.
Kontrola složení lázně HASL a sledování obsahu mědi. Udržujte procesy pokovování a čištění pod dobrou kontrolou.
Zajistěte stabilitu předehřívacích zón na linkách SMT. Pokud je to možné, používejte dusík, abyste omezili oxidaci.
Zlepšete kroky sušení a vypalování, abyste odstranili vlhkost před vysokoteplotními procesy. Pro sušení substrátu používejte řízené sušárny.
Pokud použití výrobku nebo prostředí vyžaduje zvýšenou ochranu proti vlhkosti, použijte konformní povlak.
Provádět audity dodavatelů a schvalovat pouze ekologické kvalifikované dodavatele. Vyžadujte prohlášení dodavatele o bezhalogenovém statusu a statusu RoHS.
Plán recyklace po skončení životnosti. Pokud je to možné, navrhněte demontáž a využití materiálu.
5. Závěrečné poznámky
Splnění pravidel RoHS není jen změnou materiálu. Je to změna v celém dodavatelském řetězci. Ovlivňuje výběr materiálů, řízení výrobních procesů, design výrobků a konečnou montáž. Mění také testování a dlouhodobou spolehlivost. Týmy musí pečlivě plánovat a jednat postupně. Začněte přísnou kontrolou materiálu a návrhem CAM. Vyvíjejte stabilní bezolovnaté procesy. Provádějte důkladné testy spolehlivosti. Proškolte obsluhu a veďte přehledné záznamy. Díky těmto krokům mohou výrobci desek plošných spojů dodávat výrobky vyhovující směrnici RoHS a spolehlivé pro zákazníky i životní prostředí.
