Desde que la Unión Europea legisló formalmente “sin plomo” en diciembre de 2003, la industria electrónica mundial sintió un fuerte impacto. En julio de 2006 entraron en vigor las directivas de la UE sobre Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RAEE) y sobre Restricción de Sustancias Peligrosas (RUSP). Al mismo tiempo, también entraron en vigor las normas sobre ausencia de plomo y halógenos de la Asociación de Industrias Electrónicas y de Tecnologías de la Información de Japón (JEITA) y la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de Estados Unidos (NEMA) para la industria de envases electrónicos. A partir de entonces, los productos electrónicos comercializados no deben contener plomo, mercurio, cadmio, cromo hexavalente ni cantidades restringidas de polibromobifenilos (PBB) o polibromodifeniléteres (PBDE) y otras sustancias nocivas. Este cambio afecta a la cadena de suministro mundial y al desarrollo de las industrias relacionadas, incluido el sector de los PCB. Este artículo explica, a través del control de las materias primas, la selección y el control de los procesos sin plomo y el montaje final SMT, cómo los productos de PCB de nueva generación pueden cumplir unas normas medioambientales cada vez más estrictas.
1. Selección y control de las materias primas
Es bien sabido que el mercurio, el cadmio y el cromo hexavalente casi nunca se utilizan en la industria de los PCB. Aparte de trazas en el proceso húmedo, los fabricantes de PCB no utilizan deliberadamente estos elementos. Por tanto, a la hora de elegir las materias primas y los procesos, mantener los niveles de plomo (Pb) y halógenos por debajo de los límites es el principal requisito para cumplir las normas medioambientales básicas. Para los acabados metálicos de la superficie de los PCB, el objetivo es que no contengan plomo (menos de 0,1% de Pb). PCB tradicionales y SMT Las industrias utilizan muchas aleaciones de plomo y estaño, como HASL y la pasta de soldadura. El plomo es un elemento metálico pesado y existe ampliamente en la naturaleza. Cuando la ingesta humana de plomo supera los niveles seguros, pueden aparecer síntomas como anemia, deficiencia de calcio y reducción de la inmunidad.
1.1 ¿Por qué utilizar soldaduras sin plomo?
Daños por plomo en soldaduras: Aunque el plomo contenido en las soldaduras representa una pequeña parte del uso total de plomo en algunas escalas, puede extenderse y es difícil de recuperar totalmente. La contaminación ambiental y la preocupación por el envenenamiento por plomo empujan a prescindir de este metal. En los PCB, los halógenos (flúor F, cloro Cl, bromo Br, yodo I) se utilizan principalmente en laminados y tintas.
1.2 Selección de material
Una placa de circuito impreso acabada contiene principalmente tres grupos de cosas: el laminado (material base), las capas de acabado de la superficie metálica y las tintas.
1.2.1 Material de base
Laminados comunes como FR-4 y CEM-3 suelen contener muchas resinas epoxi bromadas. Estas resinas pueden incluir tetrabromobisfenol A, bifenilos polibromados y éteres difenílicos polibromados. Cuando estos materiales arden, pueden liberar compuestos altamente tóxicos como dioxinas (TCDD) y furanos. Si los seres humanos ingieren estos compuestos, son difíciles de eliminar del organismo y plantean graves riesgos para la salud. Por ello, la industria de laminados revestidos de cobre debe pasar a utilizar materiales de base sin halógenos. Sin halógenos significa que tanto el cloro como el bromo están por debajo de 0,09%. Utilice resinas epoxi que contengan fósforo para sustituir a las resinas epoxi bromadas. Utilice resinas fenólicas que contengan nitrógeno para sustituir a los agentes de curado tradicionales de diciandiamida.
Además, los laminados ecológicos deben tener una gran resistencia al calor. Deben soportar varios ciclos de reflujo SMT sin plomo a 260 °C sin decolorarse, deslaminarse, deformarse ni alabearse.
1.2.2 Capas metálicas superficiales
En la actualidad, la industria utiliza ampliamente HASL sin plomo con una fórmula de estaño-plata-cobre (por ejemplo, 95,5Sn-3,9Ag-0,6Cu) en lugar de aleaciones de plomo-estaño. Los revestimientos superficiales de PCB sin plomo deben mostrar una buena humectación y fluidez. Deben producir baja tensión térmica y resistir la oxidación a alta temperatura. Esto ayuda al procesamiento SMT sin plomo. El fundente utilizado para HASL también debe ser ecológico, reciclable y compatible con los fundentes SMT para que refluyan juntos.
1.2.3 Tintas
Las tintas que quedan en la placa de circuito impreso incluyen tintas para máscaras de soldadura, tintas para leyendas y tintas para relleno de vías. Las fórmulas de las tintas son similares a las de los laminados. Contienen principalmente resina, retardantes de llama bromados y agentes de curado. Muchas marcas de tinta modernas ya producen tintas sin sustancias nocivas. La elección de la tinta debe cumplir las normas medioambientales y también sobrevivir a ciclos repetidos de SMT sin plomo a alta temperatura. Las tintas no deben deslaminarse, decolorarse, descascarillarse ni agrietarse tras el procesamiento.
1.2.4 Control de los materiales sin plomo
La gestión de las materias primas es un eslabón muy importante para una producción de PCB respetuosa con el medio ambiente. Por ejemplo, si se añade por error una barra de soldadura con plomo a un bote de estaño puro, el resultado puede ser catastrófico. Tampoco hay que ignorar los residuos de materiales indirectos, como el fundente. Entre las medidas prácticas figuran:
Establezca códigos de material para materias primas sin halógenos ni plomo.
Utilice marcas de color e imprima una etiqueta “verde” homologada en el embalaje exterior e interior.
Almacene los materiales ecológicos por separado en el almacén y en la planta de producción. Asigne personal específico para añadirlos en la producción.
Implantar un programa de certificación de “proveedores cualificados ecológicos”.
2. Selección y control de procesos sin plomo
Los procesos de superficie sin plomo para PCB incluyen Ni/Au galvánico, Ni/ Au de inmersión químico, OSP (conservante orgánico de soldabilidad), estaño de inmersión (estaño químico) y plata de inmersión (plata química).
2.1 Pasos para introducir procesos sin plomo
Siga estos pasos: diseño de ingeniería → desarrollo técnico → evaluación de la fiabilidad → adquisición de materiales → ejecución del proyecto y despliegue técnico.
2.2 Aplicación y control del proceso
2.2.1 Diseño de ingeniería CAM
El diseño a nivel de proyecto de placas de circuito impreso ecológicas debe tener en cuenta los efectos sobre el postprocesado SMT y el funcionamiento de la placa de circuito impreso tras el montaje. El trabajo CAM debe tener en cuenta los pasos SMT.
Ejemplo de diseño de la disposición (enrutamiento y formas de los pads):
Evite el movimiento de los componentes durante la soldadura por ola o selectiva. Reduzca el diámetro de algunos pads para reducir el riesgo de puentes.
Evite la formación de puentes entre los conductores del QFP durante la soldadura por ola. Si es necesario, incline las piezas QFP y diseñe zonas de soldadura falsas.
Para las virutas blandas, mantenga las reglas anteriores. Coloque las aberturas de la película protectora cerca de los bordes interiores.
Evitar el alabeo del tablero:
Compruebe la resistencia al calor de la placa. Preste atención a las temperaturas máximas de fusión blanda bajo la humedad.
Para tableros grandes o que lleven piezas pesadas, prepare zonas de apoyo en el centro para reducir el alabeo.
Al colocar las piezas, procure que la distribución de la masa térmica sea uniforme.
Las planchas multicapa finas o las planchas con ranuras cortadas se deforman fácilmente con el calor de fusión blanda. Considere cuidadosamente la forma y el tamaño.
2.2.2 Desarrollo técnico
El desarrollo y control de procesos es un área clave para la producción ecológica de PCB. Las acciones prácticas incluyen:
No utilice materiales ecológicos y no ecológicos en la misma línea. Separe procesos como el revelado y la limpieza final.
Marcar los productos ecológicos en las hojas de MI (instrucciones de fabricación). Exigir una firma que confirme el proceso sin plomo para recordar a los operarios.
Haga que las herramientas y accesorios de producción de productos ecológicos sean obvios con etiquetas visibles.
Las tintas deben resistir repetidas SMT sin plomo a altas temperaturas. El tratamiento previo y el secado del sustrato son muy importantes. Después de HASL o SMT sin plomo, la tinta puede pelarse en los bordes de los orificios. Esto suele deberse a la humedad que queda en los orificios y en las superficies. A altas temperaturas, la humedad se expande y separa la tinta del cobre.
No añada disolventes a la tinta de la máscara de soldadura. De este modo se evita la evaporación rápida del disolvente en los orificios sometidos a un calor elevado, lo que puede causar daños en los orificios.
Mantener el contenido de cobre en los crisoles de soldadura HASL por debajo de 0,85%.
2.2.3 Evaluación de la fiabilidad
En comparación con las placas de circuito impreso no ecológicas, las ecológicas necesitan pruebas de fiabilidad más estrictas. Añada estas pruebas:
Prueba de soldabilidad. Utilice el mismo tipo de soldadura sin plomo que se utilizará en producción.
Ensayo de choque térmico. Condiciones: -40 °C / 85 °C / 125 °C. Después de 3000 ciclos no debe haber grietas.
Prueba de ciclos térmicos. Sin grietas ni huecos por contracción.
Prueba de calor húmedo. Condiciones: 60 °C y 90-95% HR durante 500 horas. En condiciones de temperatura y humedad elevadas y prolongadas, no deben aparecer productos similares a bigotes metálicos.
3. PCB ecológico en el montaje final SMT
3.1 Características SMT sin plomo
La soldadura sin plomo tiene un punto de fusión más alto. Presenta menor humectación y fluidez, mayor tensión térmica, peor humectabilidad y es más propensa a la oxidación. Esto exige unas condiciones de fabricación y un control de calidad más estrictos.
3.1.1 Diseño de la línea SMT
Aumentar la temperatura de precalentamiento. Controlar la velocidad de la línea SMT a aproximadamente 1,2-1,8 m/min. Ajuste la inclinación del transportador a 3-5 grados. Proporcione compensación térmica donde sea necesario para que el área SMT se mantenga a una temperatura estable.
Para garantizar una buena humectación, mantenga el rango de temperatura de precalentamiento adecuado.
Soldador y control térmico:
La temperatura de la superficie de la pieza en la placa debe permanecer por debajo de su límite térmico garantizado, mientras que la parte posterior de la placa puede alcanzar unos 250 °C. Acorte la distancia entre las etapas de calentamiento para mantener la caída de temperatura entre las olas dentro de unos 55 °C.
Cuando se utiliza soldadura Sn-Ag-Cu, es posible dejar de utilizar la primera ola.
3.1.2 Soldadura de repaso manual
Ajuste la temperatura del soldador a unos 370 ± 10 °C. Utilice una punta cromada. Utilice un soldador de 80 W para tiempos de contacto cortos, como 3 segundos. Precaliente el sustrato a 50-60 °C. Si el soldador no se ha utilizado durante mucho tiempo, limpie los contaminantes de la punta. Humedezca la punta con soldadura nueva y, a continuación, desconecte la alimentación para evitar la oxidación.
3.1.3 Utilización de la protección contra el nitrógeno y sus ventajas
Mejorar la atmósfera del proceso.
Reduce la oxidación y mejora la humectación de la soldadura en los cables de los componentes.
Mejorar el aspecto, ya que las juntas sin plomo brillan menos.
Reduce el cambio de color causado por la exposición prolongada a altas temperaturas en procesos sin plomo.
3.2 Notas sobre investigación y procesos especiales
3.2.1 Estudiar soldaduras de bajo punto de fusión por debajo de 125 °C como opción para casos especiales.
3.2.2 Utilice métodos de calentamiento local (calentamiento por puntos, infrarrojos o RF) para soldar determinadas piezas a 240-260 °C. Las piezas deben tolerar el calor durante más de 40 segundos. Las herramientas de calentamiento local pueden incluir láser, flash de xenón (sin contacto), deslizadores calientes o calentadores de impulsos (contacto).
3.2.3 Seguir normas como ISO 14000 y las especificaciones de proceso del cliente. Las prácticas ecológicas incluyen materiales sin plomo ni halógenos, purificación del aire y sistemas de recuperación de fundente que pueden filtrar y reciclar unas 90% de fundente.
3.2.4 Utilizar medidas antimoho y antitermitas cuando sea necesario para los PCB.
3.2.5 Investigar y aplicar sustratos de PCB orgánicos reciclables y biodegradables.
4. Lista de comprobación resumida para ingenieros y equipos de producción
Verificar todos los certificados de análisis (COA) de las materias primas. Confirmar que los niveles de halógenos y plomo están por debajo de los límites. Mantener los archivos de COA para las auditorías.
Utilice un almacenamiento separado y un etiquetado claro para los materiales sin plomo y sin halógenos. Forme al personal para evitar la contaminación cruzada.
Actualización de las normas CAD y CAM para el procesamiento sin plomo. Ajuste los tamaños de los pads y las aperturas de las máscaras de soldadura según sea necesario.
Realice pruebas y evalúe la soldabilidad, el choque térmico, los ciclos térmicos y las pruebas de calor húmedo. Realice un seguimiento de los resultados y compárelos con los valores de referencia.
Controlar la composición del baño HASL y supervisar el contenido de cobre. Mantener bien controlados los procesos de chapado y limpieza.
Asegúrese de que las zonas de precalentamiento de las líneas SMT son estables. Utilice nitrógeno siempre que sea posible para reducir la oxidación.
Mejorar los pasos de secado y horneado para eliminar la humedad antes de los procesos de alta temperatura. Utilice hornos controlados para el secado de sustratos.
Aplique el revestimiento de conformación cuando el uso del producto o el entorno requieran una protección adicional contra la humedad.
Realice auditorías a los proveedores y apruebe sólo a los que cumplan los requisitos ecológicos. Exigir a los proveedores declaraciones sobre RoHS y ausencia de halógenos.
Planificar el reciclaje al final de la vida útil. Diseñar para el desmontaje y la recuperación de materiales cuando sea posible.
5. Notas finales
Cumplir las normas RoHS no es sólo un cambio material. Es un cambio en toda la cadena de suministro. Afecta a la selección de materiales, el control de procesos en fábrica, el diseño de productos y el montaje final. También modifica las pruebas y el trabajo de fiabilidad a largo plazo. Los equipos deben planificar con cuidado y actuar por pasos. Empezar con un control estricto de los materiales y el diseño CAM. Desarrollar procesos estables sin plomo. Realice pruebas de fiabilidad exhaustivas. Formar a los operarios y mantener registros claros. Con estos pasos, los fabricantes de placas de circuito impreso pueden ofrecer productos conformes con RoHS y fiables para los clientes y el medio ambiente.
