Siden EU formelt lovgav om “blyfrihed” i december 2003, har den globale elektronikindustri mærket en stærk påvirkning. I juli 2006 trådte EU-direktiverne om affald af elektrisk og elektronisk udstyr (WEEE) og om begrænsning af farlige stoffer (RoHS) i kraft. Samtidig trådte regler om blyfrihed og halogenfrihed fra Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA) og U.S. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) i kraft for den elektroniske emballageindustri. Fra da af må elektroniske produkter, der markedsføres, ikke indeholde bly, kviksølv, cadmium, hexavalent krom eller begrænsede mængder af polybromerede biphenyler (PBB) eller polybromerede diphenylethere (PBDE) og andre skadelige stoffer. Denne ændring påvirker den globale forsyningskæde og udviklingen af relaterede industrier, herunder PCB-sektoren. Denne artikel forklarer, hvordan næste generation af printkortprodukter kan opfylde de stadig strengere miljøregler på tværs af råvarekontrol, udvælgelse og kontrol af blyfri processer og SMT-slutmontage.
1. Udvælgelse og kontrol af råvarer
Det er velkendt, at kviksølv, cadmium og hexavalent krom næsten aldrig bruges i PCB-industrien. Bortset fra spormængder i vådbehandling bruger PCB-producenter ikke disse elementer bevidst. Så når man vælger råmaterialer og processer, er det vigtigste krav at holde bly- (Pb) og halogenniveauerne under grænseværdierne for at opfylde de grundlæggende miljøregler. For PCB-overfladens metalfinish er målet at være blyfri (under 0,1% Pb). Traditionelle PCB- og SMT Industrien brugte mange bly-tin-legeringer, f.eks. i HASL og loddepasta. Bly er et tungmetal, og det findes overalt i naturen. Når menneskers indtag af bly overskrider sikre niveauer, kan der opstå symptomer som anæmi, calciummangel og nedsat immunforsvar.
1.1 Hvorfor bruge blyfri loddetin?
Skader fra bly i loddetin: Selv om blyet i loddetin udgør en lille del af det samlede blyforbrug i nogle skalaer, kan det sprede sig og er svært at få helt tilbage. Miljøforurening og bekymringer om blyforgiftning skubber udviklingen væk fra bly. I PCB'er bruges halogener (fluor F, klor Cl, brom Br, jod I) hovedsageligt i laminater og trykfarver.
1.2 Screening af materialer
Et færdigt printkort indeholder hovedsageligt tre grupper af ting: laminatet (basismaterialet), metaloverfladelagene og blæk.
1.2.1 Grundmateriale
Almindelige laminater som f.eks. FR-4 og CEM-3 indeholder ofte en masse bromerede epoxyharpikser. Disse harpikser kan omfatte tetrabrombisphenol A, polybromerede biphenyler og polybromerede diphenylethere. Når disse materialer brænder, kan de frigive meget giftige forbindelser som dioxiner (TCDD) og furaner. Hvis mennesker indtager sådanne forbindelser, er de svære at fjerne fra kroppen, og de udgør en alvorlig sundhedsrisiko. Derfor skal den kobberbeklædte laminatindustri gå over til halogenfrie basismaterialer. Halogenfri betyder, at klor og brom begge er under ca. 0,09%. Brug fosforholdige epoxyharpikser til at erstatte bromerede epoxyharpikser. Brug nitrogenholdige phenolharpikser til at erstatte traditionelle dicyandiamid-hærdere.
Miljøvenlige laminater skal også have en stærk varmebestandighed. De skal kunne modstå flere blyfri SMT-reflow-cyklusser på omkring 260 °C uden at blive misfarvede, delaminerede, deformerede eller skæve.
1.2.2 Overfladiske metallag
Industrien bruger nu i vid udstrækning blyfri HASL med en tin-sølv-kobber-formel (f.eks. 95,5Sn-3,9Ag-0,6Cu) i stedet for bly-tin-legeringer. Blyfri PCB-overfladebelægninger skal have en god befugtning og et godt flow. De skal producere lav termisk stress og modstå oxidation ved høj temperatur. Dette hjælper den blyfri SMT-behandling. Den flux, der bruges til HASL, skal også være miljøvenlig, genanvendelig og kompatibel med SMT-flux, så de flyder sammen.
1.2.3 Blæk
Blæk, der efterlades på printkortet, omfatter loddemaskeblæk, tegnblæk og via-fill-blæk. Blækformler ligner laminatformler. De indeholder hovedsageligt harpiks, bromerede flammehæmmere og hærdningsmidler. Mange moderne blækmærker producerer allerede blæk uden skadelige stoffer. Valget af blæk skal opfylde miljøreglerne og også overleve gentagne blyfri SMT-cyklusser ved høje temperaturer. Blæk må ikke delaminere, misfarves, flage eller revne efter behandling.
1.2.4 Kontrol af blyfri materialer
Råvarestyring er et meget vigtigt led i en miljøvenlig printkortproduktion. Hvis der f.eks. ved en fejl tilføjes en blyholdig loddestang til en ren tinpotte, kan resultatet være katastrofalt. Rester fra indirekte materialer som flux må ikke ignoreres. Praktiske foranstaltninger omfatter:
Opsæt materialekoder for halogenfri og blyfri råmaterialer.
Brug farvemærker, og tryk en godkendt “grøn” etiket på yder- og inderemballage.
Opbevar miljøvenlige materialer separat på lageret og i produktionen. Udpeg specifikke medarbejdere til at tilføje dem i produktionen.
Implementer et certificeringsprogram for “grønne kvalificerede leverandører”.
2. Valg og kontrol af blyfri processer
Blyfri overfladeprocesser til printkort omfatter elektropletteret Ni/Au, elektroløs Ni/immersion Au, OSP (organisk loddemiddel), immersion tin (kemisk tin) og immersion sølv (kemisk sølv).
2.1 Skridt til at indføre blyfri processer
Følg disse trin: teknisk design → teknisk udvikling → pålidelighedsevaluering → materialeindkøb → projektimplementering og teknisk udrulning.
2.2 Procesimplementering og -kontrol
2.2.1 Teknisk CAM-design
Design på projektniveau for miljøvenlige printkort skal tage højde for effekter på SMT-efterbehandling og printkortets funktion efter montering. CAM-arbejde skal tage højde for SMT-trin.
Eksempel på layoutdesign (routing og padformer):
Undgå komponentbevægelser under bølgelodning eller selektiv lodning. Gør nogle paddiametre lidt mindre for at reducere risikoen for brodannelse.
Undgå, at QFP-ledninger danner bro under bølgelodning. Vip om nødvendigt QFP-delene, og lav dummy-loddeområder.
Hold dig til tidligere regler for softmelt-chips. Placer åbninger til beskyttelsesfilm nær de indre kanter.
Forebyg skævvridning af pladen:
Tjek kortets varmebestandighed. Vær opmærksom på softmelt-spidstemperaturer under fugt.
Til store plader eller plader, der bærer tunge dele, skal du forberede støtteområder i midten for at reducere vridning.
Når du placerer dele, skal du forsøge at gøre den termiske massefordeling jævn.
Tynde plader i flere lag eller plader med skårne riller er lette at vride under softmelt-varme. Overvej form og størrelse nøje.
2.2.2 Teknisk udvikling
Procesudvikling og -kontrol er et nøgleområde for miljøvenlig PCB-produktion. Praktiske handlinger omfatter:
Kør ikke miljøvenlige og ikke-miljøvenlige materialer på samme linje. Adskil processer som fremkaldelse og slutrengøring.
Mærk miljøprodukter på MI-ark (produktionsinstruktioner). Kræv en underskrift, der bekræfter den blyfri proces, for at minde operatørerne om det.
Gør værktøjer og inventar til produktion af miljøprodukter tydelige med synlige etiketter.
Blæk skal kunne modstå gentagen blyfri SMT ved høje temperaturer. Forbehandling og tørring af substratet er meget vigtigt. Efter HASL eller blyfri SMT kan blækket skalle af ved hulkanterne. Det skyldes ofte fugt, der er efterladt i huller og på overflader. Under høj varme udvider fugten sig og adskiller blæk fra kobber.
Tilsæt ikke fortynder til loddemaskeblæk. På den måde undgås hurtig fordampning af opløsningsmiddel i huller under høj varme, hvilket kan beskadige hullerne.
Hold kobberindholdet i HASL-loddetindene under 0,85%.
2.2.3 Evaluering af pålidelighed
Sammenlignet med ikke-øko-PCB'er har miljøvenlige PCB'er brug for stærkere pålidelighedstest. Tilføj disse tests:
Test af loddeevne. Brug den samme type blyfri loddetin, som skal bruges i produktionen.
Test af termisk chok. Betingelser: -40 °C / 85 °C / 125 °C. Efter 3000 cyklusser må der ikke være revner.
Test af termisk cykling. Ingen revner og ingen svindlommer.
Test med fugtig varme. Betingelser: 60 °C og 90-95% RH i 500 timer. Under langvarig høj temperatur og fugtighed bør der ikke være nogen metalhårlignende produkter.
3. Miljøvenlig PCB i SMT-slutmontering
3.1 Blyfri SMT-egenskaber
Blyfrit loddetin har et højere smeltepunkt. Det har lavere befugtning og flow, højere termisk stress, dårligere befugtningsevne og er mere tilbøjeligt til at oxidere. Det kræver strengere produktionsbetingelser og kvalitetskontrol.
3.1.1 Design af SMT-linjer
Øg forvarmningstemperaturen. Kontrollér SMT-linjens hastighed til ca. 1,2-1,8 m/min. Indstil transportbåndets hældning til 3-5 grader. Sørg for termisk kompensation, hvor det er nødvendigt, så SMT-området holder en stabil temperatur.
For at sikre god befugtning skal du holde den rette forvarmningstemperatur.
Loddekolbe og termisk kontrol:
Overfladetemperaturen på printet skal holde sig under den garanterede termiske grænse, mens printets bagside kan nå op på ca. 250 °C. Afkort afstanden mellem opvarmningstrinnene for at holde temperaturfaldet mellem bølgerne inden for ca. 55 °C.
Når man bruger Sn-Ag-Cu-loddetin, kan det være muligt at stoppe med at bruge den første bølge.
3.1.2 Manuel rework-lodning
Indstil loddekolbens temperatur til ca. 370 ± 10 °C. Brug en forkromet spids. Brug et 80 W jern til korte kontakttider, f.eks. 3 sekunder. Forvarm substratet til 50-60 °C. Hvis en loddekolbe har været ubrugt i lang tid, skal spidsen renses for forurening. Fugt spidsen med frisk loddetin, og sluk derefter for strømmen for at forhindre oxidering.
3.1.3 Brug af kvælstofbeskyttelse og dens fordele
Forbedre atmosfæren i processen.
Reducerer oxidering og forbedrer loddets befugtning på komponentledninger.
Forbedre udseendet, da blyfri fuger er mindre blanke.
Reducerer farveændring forårsaget af lang eksponering ved høj temperatur i blyfri processer.
3.2 Forskning og særlige procesnoter
3.2.1 Undersøg lodder med lavt smeltepunkt under 125 °C som en mulighed i særlige tilfælde.
3.2.2 Brug lokale opvarmningsmetoder (punktopvarmning, infrarød eller RF) til at lodde visse dele ved 240-260 °C. Delene skal kunne tåle varme i mere end 40 sekunder. Lokale opvarmningsværktøjer kan omfatte lasere, xenonblitz (kontaktfri), varme skydere eller pulsvarmere (kontakt).
3.2.3 Følg standarder som ISO 14000 og kundens processpecifikationer. Grøn praksis omfatter blyfri og halogenfri materialer, luftrensning og fluxgenvindingssystemer, der kan filtrere og genbruge ca. 90% flux.
3.2.4 Brug foranstaltninger mod skimmel og termitter, hvor det er nødvendigt for PCB.
3.2.5 Forskning og anvendelse af genanvendelige og biologisk nedbrydelige organiske PCB-substrater.
4. Sammenfattende tjekliste til ingeniører og produktionsteams
Kontrollér alle råmaterialers analysecertifikater (COA). Bekræft, at halogen- og blyniveauer er under grænseværdierne. Opbevar COA-filer til revisioner.
Brug separat opbevaring og tydelig mærkning af blyfri og halogenfri materialer. Uddan personalet i at undgå krydskontaminering.
Opdater CAD- og CAM-regler til blyfri behandling. Juster padstørrelser og loddemaskeåbninger efter behov.
Udfør prøvekørsler og evaluer loddeevne, termisk chok, termisk cykling og test med fugtig varme. Spor resultaterne, og sammenlign med baseline.
Kontroller HASL-badets sammensætning og overvåg kobberindholdet. Hold pletterings- og rengøringsprocesserne under kontrol.
Sørg for, at forvarmningszonerne på SMT-linjerne er stabile. Brug nitrogen, når det er muligt, for at reducere oxidation.
Forbedre tørre- og udbagningstrin for at fjerne fugt før højtemperaturprocesser. Brug kontrollerede ovne til tørring af substratet.
Påfør conformal coating, når produktets anvendelse eller miljøet kræver ekstra fugtbeskyttelse.
Oprethold leverandøraudits og godkend kun grønne kvalificerede leverandører. Kræv leverandørerklæringer for RoHS- og halogenfri status.
Planlæg for genbrug ved endt levetid. Design til adskillelse og materialegenvinding, når det er muligt.
5. Afsluttende noter
At opfylde RoHS-reglerne er ikke kun en materiel ændring. Det er en ændring på tværs af hele forsyningskæden. Det påvirker materialevalg, fabrikkens processtyring, produktdesign og slutmontering. Det ændrer også testning og langsigtet pålidelighedsarbejde. Teams skal planlægge omhyggeligt og handle i trin. Start med streng materialekontrol og CAM-design. Udvikl stabile blyfri processer. Kør grundige pålidelighedstests. Uddan operatører, og før klare optegnelser. Med disse trin kan printkortproducenter levere RoHS-kompatible og pålidelige produkter til kunder og miljø.
