Seitdem die Europäische Union im Dezember 2003 formell bleifreie“ Gesetze erlassen hat, hat die weltweite Elektronikindustrie starke Auswirkungen zu spüren bekommen. Im Juli 2006 traten die EU-Richtlinien über Elektro- und Elektronikaltgeräte (WEEE) und über die Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS) in Kraft. Gleichzeitig traten auch die blei- und halogenfreien Vorschriften der Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA) und der U.S. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) für die elektronische Verpackungsindustrie in Kraft. Von nun an dürfen elektronische Produkte, die auf den Markt gebracht werden, kein Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertiges Chrom oder begrenzte Mengen an polybromierten Biphenylen (PBB) oder polybromierten Diphenylethern (PBDE) und anderen schädlichen Substanzen enthalten. Diese Änderung wirkt sich auf die globale Lieferkette und die Entwicklung der damit verbundenen Industriezweige, einschließlich des PCB-Sektors, aus. In diesem Artikel wird erläutert, wie die PCB-Produkte der nächsten Generation über die Kontrolle der Rohstoffe, die Auswahl und Kontrolle bleifreier Prozesse und die SMT-Endmontage die immer strengeren Umweltvorschriften erfüllen können.
1. Auswahl und Kontrolle von Rohstoffen
Es ist bekannt, dass Quecksilber, Cadmium und sechswertiges Chrom in der PCB-Industrie fast nie verwendet werden. Abgesehen von Spuren bei der Nassverarbeitung verwenden die Leiterplattenhersteller diese Elemente nicht absichtlich. Bei der Auswahl von Rohstoffen und Verfahren ist die Einhaltung von Grenzwerten für Blei (Pb) und Halogene die wichtigste Voraussetzung für die Einhaltung grundlegender Umweltvorschriften. Das Ziel für die Oberflächenbeschichtung von Leiterplatten ist es, bleifrei zu sein (unter 0,1% Pb). Traditionelle PCB- und SMT In der Industrie werden viele Blei-Zinn-Legierungen verwendet, z. B. HASL und Lötpaste. Blei ist ein Schwermetall, das in der Natur weit verbreitet ist. Wenn die menschliche Bleiaufnahme sichere Werte überschreitet, können Symptome wie Anämie, Kalziummangel und verminderte Immunität auftreten.
1.1 Warum bleifreies Lot verwenden?
Schäden durch Blei im Lötzinn: Auch wenn das in Lötzinn enthaltene Blei nur einen kleinen Teil des gesamten Bleiverbrauchs ausmacht, kann es sich ausbreiten und lässt sich nur schwer vollständig zurückgewinnen. Umweltverschmutzung und die Sorge um Bleivergiftungen treiben die Abkehr von Blei voran. In PCBs werden Halogene (Fluor F, Chlor Cl, Brom Br, Jod I) hauptsächlich in Laminaten und Druckfarben verwendet.
1.2 Materialauswahl
Eine fertige Leiterplatte besteht im Wesentlichen aus drei Gruppen: dem Laminat (Basismaterial), den Metalloberflächenschichten und den Druckfarben.
1.2.1 Grundstoff
Gängige Laminate wie FR-4 und CEM-3 enthalten oft eine Menge bromierter Epoxidharze. Diese Harze können Tetrabrombisphenol A, polybromierte Biphenyle und polybromierte Diphenylether enthalten. Wenn diese Materialien brennen, können sie hochgiftige Verbindungen wie Dioxine (TCDD) und Furane freisetzen. Wenn der Mensch solche Verbindungen aufnimmt, können sie nur schwer aus dem Körper entfernt werden und stellen ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko dar. Deshalb muss die kupferkaschierte Laminatindustrie auf halogenfreie Basismaterialien umsteigen. Halogenfrei bedeutet, dass Chlor und Brom jeweils unter 0,09% liegen. Verwenden Sie phosphorhaltige Epoxidharze, um bromhaltige Epoxidharze zu ersetzen. Verwenden Sie stickstoffhaltige Phenolharze als Ersatz für herkömmliche Dicyandiamid-Härter.
Außerdem müssen umweltfreundliche Laminate eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen. Sie müssen mehreren bleifreien SMT-Reflow-Zyklen bei 260 °C standhalten, ohne sich zu verfärben, zu delaminieren, zu verformen oder zu verziehen.
1.2.2 Metallische Oberflächenschichten
In der Industrie werden heute weitgehend bleifreie HASL mit einer Zinn-Silber-Kupfer-Formel (z. B. 95,5Sn-3,9Ag-0,6Cu) anstelle von Blei-Zinn-Legierungen verwendet. Bleifreie PCB-Oberflächenbeschichtungen müssen eine gute Benetzung und einen guten Fluss aufweisen. Sie müssen geringe thermische Spannungen erzeugen und bei hohen Temperaturen oxidationsbeständig sein. Dies kommt der bleifreien SMT-Verarbeitung zugute. Das für HASL verwendete Flussmittel muss außerdem umweltfreundlich und wiederverwertbar sein und sich mit SMT-Flussmitteln vertragen, so dass sie zusammen auffließen.
1.2.3 Druckfarben
Zu den Tinten, die auf der Leiterplatte verbleiben, gehören Lötmasken-, Beschriftungs- und Durchkontaktierungstinten. Die Rezepturen der Tinten sind ähnlich wie die der Laminate. Sie enthalten hauptsächlich Harz, bromierte Flammschutzmittel und Aushärtemittel. Viele moderne Druckfarbenmarken stellen bereits Druckfarben ohne schädliche Stoffe her. Die Wahl der Tinte muss den Umweltvorschriften entsprechen und auch wiederholten Hochtemperatur-SMT-Zyklen standhalten. Die Tinten dürfen nach der Verarbeitung nicht abblättern, sich verfärben, abblättern oder reißen.
1.2.4 Kontrolle von bleifreien Materialien
Das Rohstoffmanagement ist ein sehr wichtiges Bindeglied für eine umweltfreundliche Leiterplattenproduktion. Wird beispielsweise versehentlich ein bleihaltiger Lötkolben in einen reinen Zinntopf gegeben, kann das katastrophale Folgen haben. Auch Rückstände von indirekten Materialien wie Flussmittel dürfen nicht ignoriert werden. Zu den praktischen Maßnahmen gehören:
Richten Sie Materialcodes für halogen- und bleifreie Rohstoffe ein.
Verwenden Sie Farbmarkierungen und drucken Sie ein genehmigtes “grünes” Etikett auf Außen- und Innenverpackungen.
Lagern Sie umweltfreundliche Materialien getrennt im Lager und in der Produktion. Beauftragen Sie bestimmte Mitarbeiter damit, sie in der Produktion einzusetzen.
Einführung eines Zertifizierungsprogramms für “grüne qualifizierte Lieferanten”.
2. Auswahl und Kontrolle von bleifreien Prozessen
Zu den bleifreien Oberflächenverfahren für Leiterplatten gehören galvanisch abgeschiedenes Ni/Au, stromloses Ni/Tauch-Au, OSP (organisches Lötbarkeitsschutzmittel), chemisches Zinn und chemisches Silber.
2.1 Schritte zur Einführung bleifreier Prozesse
Folgen Sie diesen Schritten: Konstruktionsentwurf → technische Entwicklung → Zuverlässigkeitsbewertung → Materialbeschaffung → Projektdurchführung und technische Einführung.
2.2 Prozessdurchführung und -kontrolle
2.2.1 CAM-Entwurf
Das Design auf Projektebene für umweltfreundliche Leiterplatten muss die Auswirkungen auf die SMT-Nachbearbeitung und die Funktion der Leiterplatte nach der Montage berücksichtigen. CAM-Arbeiten sollten die SMT-Schritte berücksichtigen.
Beispiel für ein Layout-Design (Routing und Pad-Formen):
Verhindern Sie die Bewegung der Bauteile beim Wellen- oder Selektivlöten. Verringern Sie einige Pad-Durchmesser, um das Risiko von Brückenbildung zu verringern.
Verhindern Sie die Überbrückung von QFP-Leitungen beim Wellenlöten. Falls erforderlich, kippen Sie QFP-Bauteile und entwerfen Sie Dummy-Lötbereiche.
Für Weichschmelz-Chips gelten die früheren Regeln. Platzieren Sie die Öffnungen für die Schutzfolie in der Nähe der inneren Kanten.
Verhindern Sie den Verzug der Platte:
Prüfen Sie die Hitzebeständigkeit der Platte. Achten Sie auf die Spitzentemperaturen von Softmelt bei Feuchtigkeit.
Bereiten Sie bei großen Brettern oder Brettern, die schwere Teile tragen, Stützflächen in der Mitte vor, um ein Verziehen zu vermeiden.
Bei der Platzierung der Teile ist auf eine gleichmäßige Verteilung der thermischen Masse zu achten.
Dünne mehrschichtige Platten oder Platten mit eingeschnittenen Rillen können sich unter der Hitze des Softmelt leicht verziehen. Achten Sie sorgfältig auf Form und Größe.
2.2.2 Technische Entwicklung
Die Prozessentwicklung und -kontrolle ist ein Schlüsselbereich für eine umweltfreundliche Leiterplattenproduktion. Praktische Maßnahmen umfassen:
Verwenden Sie umweltfreundliche und nicht-umweltfreundliche Materialien nicht auf der gleichen Linie. Trennen Sie Prozesse wie Entwicklung und Endreinigung.
Kennzeichnung von Ökoprodukten auf den MI-Blättern (Fertigungsanweisungen). Verlangt eine Unterschrift zur Bestätigung des bleifreien Prozesses, um die Bediener daran zu erinnern.
Kennzeichnen Sie die Werkzeuge und Vorrichtungen für die Herstellung von Ökoprodukten mit sichtbaren Etiketten.
Die Tinten müssen wiederholten Hochtemperatur-SMT-Verfahren standhalten. Vorbehandlung und Trocknung des Substrats sind sehr wichtig. Nach HASL oder bleifreier SMT kann die Tinte an den Lochrändern abblättern. Dies ist häufig auf Feuchtigkeit in den Löchern und auf den Oberflächen zurückzuführen. Bei hoher Hitze dehnt sich die Feuchtigkeit aus und löst die Tinte vom Kupfer ab.
Geben Sie der Lötmaskenfarbe keine Verdünner zu. Dadurch wird ein schnelles Verdampfen des Lösungsmittels in den Löchern bei großer Hitze vermieden, was zu einer Beschädigung der Löcher führen kann.
Halten Sie den Kupfergehalt in HASL-Löttiegeln unter 0,85%.
2.2.3 Bewertung der Zuverlässigkeit
Im Vergleich zu Nicht-Öko-Leiterplatten benötigen umweltfreundliche Leiterplatten strengere Zuverlässigkeitstests. Fügen Sie diese Tests hinzu:
Prüfung der Lötbarkeit. Verwenden Sie die gleiche Art von bleifreiem Lot, die auch in der Produktion verwendet wird.
Thermoschock-Test. Bedingungen: -40 °C / 85 °C / 125 °C. Nach 3000 Zyklen sollte es keine Risse geben.
Temperaturwechselprüfung. Keine Risse und keine Schrumpfungslücken.
Test mit feuchter Hitze. Bedingungen: 60 °C und 90-95% RH für 500 Stunden. Bei hohen Langzeittemperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit sollten keine metallischen, bärtchenartigen Produkte entstehen.
3. Umweltfreundliche PCB in der SMT-Endmontage
3.1 Merkmale der bleifreien SMT-Technik
Bleifreies Lot hat einen höheren Schmelzpunkt. Es hat eine geringere Benetzung und einen geringeren Fluss, eine höhere thermische Belastung, eine schlechtere Benetzbarkeit und ist anfälliger für Oxidation. Dies erfordert strengere Herstellungsbedingungen und Qualitätskontrollen.
3.1.1 Entwurf der SMT-Linie
Erhöhen Sie die Vorwärmtemperatur. Die Geschwindigkeit der SMT-Linie auf etwa 1,2-1,8 m/min einstellen. Stellen Sie die Neigung des Förderers auf 3-5 Grad ein. Sorgen Sie bei Bedarf für einen Wärmeausgleich, damit der SMT-Bereich eine stabile Temperatur behält.
Um eine gute Benetzung zu gewährleisten, halten Sie den richtigen Vorwärmtemperaturbereich ein.
Löttopf und thermische Kontrolle:
Die Oberflächentemperatur des Bauteils auf der Platine muss unter der garantierten Temperaturgrenze bleiben, während die Rückseite der Platine etwa 250 °C erreichen kann. Verkürzen Sie den Abstand zwischen den Heizstufen, um den Temperaturabfall zwischen den Wellen auf etwa 55 °C zu begrenzen.
Bei der Verwendung von Sn-Ag-Cu-Lot ist es möglich, mit der ersten Welle aufzuhören.
3.1.2 Manuelles Rework-Löten
Stellen Sie die Temperatur des Lötkolbens auf etwa 370 ± 10 °C ein. Verwenden Sie eine verchromte Spitze. Verwenden Sie einen 80-W-Lötkolben für kurze Kontaktzeiten wie 3 Sekunden. Heizen Sie das Substrat auf 50-60 °C vor. Wenn ein Lötkolben lange Zeit nicht benutzt wurde, reinigen Sie die Spitze von Verunreinigungen. Befeuchten Sie die Spitze mit frischem Lot und schalten Sie dann den Strom ab, um eine Oxidation zu verhindern.
3.1.3 Einsatz von Stickstoffschutz und seine Vorteile
Verbessern Sie die Prozessatmosphäre.
Verringert die Oxidation und verbessert die Benetzung der Bauteilanschlüsse mit Lot.
Verbesserung des Aussehens, da bleifreie Verbindungen weniger glänzend sind.
Reduziert Farbveränderungen, die durch lange Hochtemperaturbelastung in bleifreien Prozessen verursacht werden.
3.2 Recherche und besondere Verfahrenshinweise
3.2.1 Untersuchung niedrigschmelzender Lote unter 125 °C als Option für Sonderfälle.
3.2.2 Verwenden Sie lokale Erwärmungsmethoden (punktuelle Erwärmung, Infrarot oder RF) zum Löten bestimmter Teile bei 240-260 °C. Die Teile müssen mehr als 40 Sekunden lang Wärme vertragen. Lokale Erwärmungswerkzeuge können Laser, Xenonblitz (berührungslos), Heißschieber oder Impulsheizer (Kontakt) sein.
3.2.3 Befolgung von Standards wie ISO 14000 und Prozessspezifikationen des Kunden. Zu den umweltfreundlichen Praktiken gehören blei- und halogenfreie Materialien, Luftreinigung und Flussmittelrückgewinnungssysteme, die etwa 90% Flussmittel filtern und recyceln können.
3.2.4 Erforderlichenfalls sind Maßnahmen zur Schimmel- und Termitenbekämpfung für PCBs zu ergreifen.
3.2.5 Erforschung und Anwendung recycelbarer und biologisch abbaubarer organischer PCB-Substrate.
4. Zusammenfassende Checkliste für Ingenieure und Produktionsteams
Überprüfen Sie alle Analysezertifikate (COA) für die Rohstoffe. Bestätigen Sie, dass die Halogen- und Bleikonzentrationen unter den Grenzwerten liegen. Führen Sie COA-Dateien für Audits.
Getrennte Lagerung und eindeutige Kennzeichnung von bleifreien und halogenfreien Materialien. Schulen Sie Ihr Personal, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.
Aktualisieren Sie CAD- und CAM-Regeln für die bleifreie Verarbeitung. Passen Sie die Padgrößen und Lötmaskenöffnungen nach Bedarf an.
Führen Sie Testläufe durch und bewerten Sie Lötbarkeit, Temperaturschock, Temperaturwechsel und feuchte Hitze. Verfolgen Sie die Ergebnisse und vergleichen Sie sie mit dem Ausgangswert.
Kontrolle der HASL-Badzusammensetzung und Überwachung des Kupfergehalts. Halten Sie die Beschichtungs- und Reinigungsprozesse gut unter Kontrolle.
Stellen Sie sicher, dass die Vorwärmzonen an SMT-Linien stabil sind. Verwenden Sie nach Möglichkeit Stickstoff, um die Oxidation zu verringern.
Verbessern Sie die Trocknungs- und Ausheizschritte, um Feuchtigkeit vor Hochtemperaturprozessen zu entfernen. Verwenden Sie kontrollierte Öfen für die Substrattrocknung.
Tragen Sie eine konforme Beschichtung auf, wenn die Verwendung des Produkts oder die Umgebung einen zusätzlichen Feuchtigkeitsschutz erfordert.
Führen Sie Lieferantenaudits durch und lassen Sie nur grün qualifizierte Lieferanten zu. Verlangen Sie von den Lieferanten Erklärungen über den RoHS- und halogenfreien Status.
Planen Sie für das Recycling am Ende der Lebensdauer. Entwerfen Sie, wenn möglich, für die Demontage und Materialrückgewinnung.
5. Schlussnoten
Die Einhaltung der RoHS-Vorschriften ist nicht nur eine materielle Veränderung. Es handelt sich um eine Änderung in der gesamten Lieferkette. Sie wirkt sich auf die Materialauswahl, die Prozesskontrolle im Werk, das Produktdesign und die Endmontage aus. Sie verändert auch die Tests und die langfristige Zuverlässigkeitsarbeit. Die Teams müssen sorgfältig planen und schrittweise vorgehen. Beginnen Sie mit strenger Materialkontrolle und CAM-Design. Entwickeln Sie stabile bleifreie Prozesse. Führen Sie gründliche Zuverlässigkeitstests durch. Bediener schulen und klare Aufzeichnungen führen. Mit diesen Schritten können Leiterplattenhersteller RoHS-konforme und zuverlässige Produkte für Kunden und die Umwelt liefern.
