از زمانی که اتحادیه اروپا در دسامبر ۲۰۰۳ رسماً قانون “بدون سرب” را تصویب کرد، صنعت جهانی الکترونیک تأثیر زیادی را احساس کرد. تا ژوئیهٔ ۲۰۰۶، دستورالعملهای اتحادیه اروپا دربارهٔ ضایعات تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی (WEEE) و محدودیت مواد خطرناک (RoHS) به اجرا درآمد. در همان زمان، مقررات بدون سرب و بدون هالوژن از سوی انجمن صنایع الکترونیک و فناوری اطلاعات ژاپن (JEITA) و انجمن ملی تولیدکنندگان الکتریکی ایالات متحده (NEMA) برای صنعت بستهبندی الکترونیکی نیز اجرایی شد. از آن زمان به بعد، محصولات الکترونیکی که در بازار عرضه میشوند نباید حاوی سرب، جیوه، کادمیوم، کروم ششظرفیتی، یا مقادیر محدودی از بیفنیلهای پلیبرمئینه (PBB) یا اترهای دیفنیل پلیبرمئینه (PBDE) و سایر مواد مضر باشند. این تغییر بر زنجیره تأمین جهانی و توسعه صنایع مرتبط، از جمله بخش PCB، تأثیر میگذارد. این مقاله توضیح میدهد که چگونه محصولات PCB نسل بعدی میتوانند با کنترل مواد اولیه، انتخاب و کنترل فرآیندهای بدون سرب، و مونتاژ نهایی SMT، با قوانین زیستمحیطی روزبهروز سختگیرانهتر مطابقت داشته باشند.
۱. انتخاب و کنترل مواد اولیه
به خوبی مشخص است که جیوه، کادمیوم و کروم ششظرفیتی تقریباً هرگز در صنعت PCB استفاده نمیشوند. به جز مقادیر جزئی در فرآیندهای مرطوب، سازندگان PCB عمداً از این عناصر استفاده نمیکنند. بنابراین، هنگام انتخاب مواد اولیه و فرآیندها، حفظ سطح سرب (Pb) و هالوژنها در زیر حد مجاز، نیاز اصلی برای رعایت قوانین پایهای زیستمحیطی است. برای پوششهای فلزی سطح PCB، هدف این است که عاری از سرب باشد (کمتر از 0.1% Pb). PCB سنتی و SMT صنایع از آلیاژهای سرب–قلع فراوان استفاده میکنند، مانند HASL و خمیر لحیم. سرب یک عنصر فلز سنگین است و بهطور گسترده در طبیعت یافت میشود. وقتی میزان دریافت سرب توسط انسان از حد ایمن فراتر رود، علائمی مانند کمخونی، کمبود کلسیم و کاهش ایمنی ممکن است بروز کند.
۱.۱ چرا از قلع بدون سرب استفاده کنیم؟
آسیب ناشی از سرب در قلعکاری: اگرچه سهم سرب موجود در قلعکاری در برخی مقیاسها بخش کوچکی از کل مصرف سرب است، اما میتواند منتشر شود و بازیابی کامل آن دشوار است. آلودگی محیطزیست و نگرانیها درباره مسمومیت با سرب، حرکت به سمت دور شدن از سرب را تسریع میکند. در بردهای مدار چاپی (PCB)، هالوژنها (فلور F، کلر Cl، برم Br، ید I) عمدتاً در لمینیتها و جوهرها استفاده میشوند.
۱.۲ غربالگری مواد
یک PCB نهاییشده عمدتاً شامل سه گروه از اجزا است: لمینیت (مواد پایه)، لایههای پوشش سطح فلزی و جوهرها.
۱.۲.۱ مادهٔ پایه
لامینتهای رایج مانند افآر-۴ و CEM-3 اغلب حاوی مقدار زیادی رزین اپوکسی برومهدار هستند. این رزینها میتوانند شامل تترابروموبیسفنول A، بیفنیلهای پلیبرومهدار و اترهای دیفنل پلیبرومهدار باشند. هنگامی که این مواد میسوزند، میتوانند ترکیبات بسیار سمی مانند دیاکسینها (TCDD) و فورانها را آزاد کنند. اگر انسان این ترکیبات را مصرف کند، دفع آنها از بدن دشوار است و خطرات جدی برای سلامتی به همراه دارند. بنابراین، صنعت لامینیت مسی باید به سمت مواد پایه عاری از هالوژن حرکت کند. عاری از هالوژن به این معناست که هر دو کلر و برم کمتر از حدود 0.09% باشند. از رزینهای اپوکسی حاوی فسفر برای جایگزینی رزینهای اپوکسی برومینه استفاده کنید. از رزینهای فنولی حاوی نیتروژن برای جایگزینی عاملهای سختکننده سنتی دیسیاندیآمید استفاده کنید.
همچنین لمینتهای سازگار با محیط زیست باید مقاومت حرارتی بالایی داشته باشند. آنها باید بتوانند چندین چرخهٔ ریفلو SMT بدون سرب را در حدود ۲۶۰ درجهٔ سانتیگراد بدون تغییر رنگ، جداشدن لایهها، تغییر شکل یا تابخوردن تحمل کنند.
۱.۲.۲ لایههای سطحی فلزی
صنعت اکنون بهطور گسترده از HASL بدون سرب با فرمول قلع–نقره–مس (برای مثال 95.5Sn–3.9Ag–0.6Cu) بهجای آلیاژهای سرب–قلع استفاده میکند. پوششهای سطحی PCB بدون سرب باید قابلیت تر شدن و جریانپذیری خوبی داشته باشند. آنها باید تنش حرارتی پایینی ایجاد کنند و در دمای بالا در برابر اکسیداسیون مقاومت کنند. این امر به پردازش SMT بدون سرب کمک میکند. فلکسی که برای HASL استفاده میشود نیز باید سازگار با محیط زیست، قابل بازیافت و سازگار با فلکسهای SMT باشد تا بتوانند با هم ریفلو شوند.
۱.۲.۳ جوهرها
جوهرهای بهجا مانده روی برد مدار چاپی شامل جوهرهای ماسک لحیم، جوهرهای نوشته و جوهرهای پرکنندهی ویای هستند. فرمولهای جوهر مشابه فرمولهای لامینیت است. این جوهرها عمدتاً از رزین، بازدارندههای حریق برومدار و عاملهای پخت تشکیل شدهاند. بسیاری از برندهای مدرن جوهر، هماکنون جوهرهایی بدون مواد مضر تولید میکنند. انتخاب جوهر باید با مقررات زیستمحیطی مطابقت داشته باشد و همچنین در برابر چرخههای مکرر SMT بدون سرب در دمای بالا مقاوم باشد. جوهرها نباید پس از پردازش لایهلایه شوند، تغییر رنگ دهند، پوسته پوسته شوند یا ترک بخورند.
۱.۲.۴ کنترل مواد بدون سرب
مدیریت مواد اولیه پیوندی بسیار مهم در تولید برد مدار چاپی سازگار با محیط زیست است. برای مثال، اگر میلهی لحیم سربدار بهاشتباه به کوره قلع خالص اضافه شود، نتیجه میتواند فاجعهبار باشد. باقیماندههای مواد غیرمستقیم مانند فلاکس نباید نادیده گرفته شوند. اقدامات عملی شامل موارد زیر است:
کدهای مواد را برای مواد اولیه بدون هالوژن و بدون سرب تنظیم کنید.
از علائم رنگی استفاده کنید و برچسب “سبز” تأییدشده را روی بستهبندی داخلی و خارجی چاپ کنید.
مواد دوستدار محیطزیست را بهطور جداگانه در انبار و سالن تولید نگهداری کنید. کارکنان مشخصی را برای افزودن آنها در فرآیند تولید منصوب کنید.
یک برنامه صدور گواهی “تأمینکننده واجد شرایط سبز” را اجرا کنید.
۲. انتخاب و کنترل فرآیندهای بدون سرب
فرآیندهای سطحی بدون سرب برای PCB شامل آبکاری الکتریکی نیکل/طلا، نیکل بدون الکتریک/طلا غوطهوری، OSP (محافظتکننده آلی قابلیت لحیمپذیری)، قلع غوطهوری (قلع شیمیایی) و نقره غوطهوری (نقره شیمیایی) است.
۲.۱ گامهای معرفی فرآیندهای بدون سرب
این مراحل را دنبال کنید: طراحی مهندسی → توسعه فنی → ارزیابی قابلیت اطمینان → تأمین مواد → اجرای پروژه و استقرار فنی.
۲.۲ پیادهسازی و کنترل فرآیند
۲.۲.۱ طراحی مهندسی CAM
طراحی در سطح پروژه برای بردهای مدار چاپی سازگار با محیطزیست باید تأثیرات بر پسپردازش SMT و عملکرد برد پس از مونتاژ را در نظر بگیرد. کار CAM باید مراحل SMT را مدنظر قرار دهد.
طرحبندی نمونه (مسیریابی و اشکال پد):
از حرکت قطعات در حین لحیمکاری موج یا لحیمکاری انتخابی جلوگیری کنید. قطر برخی پدها را کمی کوچکتر کنید تا خطر پلزنی کاهش یابد.
از ایجاد پل روی پایههای QFP در حین لحیمکاری موج جلوگیری کنید. در صورت نیاز، قطعات QFP را شیبدار قرار دهید و نواحی لحیمکاری آزمایشی طراحی کنید.
برای چیپهای ذوب نرم، قواعد قبلی را حفظ کنید. محلهای باز فیلم محافظ را نزدیک لبههای داخلی قرار دهید.
از تابخوردن تخته جلوگیری کنید:
مقاومت برد در برابر حرارت را بررسی کنید. به دمای اوج ذوب نرم در حضور رطوبت توجه کنید.
برای تخته های بزرگ یا تخته هایی که قطعات سنگین را حمل میکنند، برای کاهش تابخوردگی، نواحی حمایتی را در مرکز آماده کنید.
هنگام قرار دادن قطعات، سعی کنید توزیع جرم حرارتی را یکنواخت کنید.
تختههای چندلایه نازک یا تختههایی با شیارهای بریدهشده بهراحتی تحت حرارت ذوب نرم تاب برمیدارند. شکل و اندازه را با دقت در نظر بگیرید.
۲.۲.۲ توسعه فنی
توسعه و کنترل فرآیند، حوزهای کلیدی برای تولید برد مدار چاپی سازگار با محیطزیست است. اقدامات عملی شامل:
مواد سازگار با محیط زیست و مواد غیرسازگار با محیط زیست را در یک خط تولید اجرا نکنید. فرآیندهایی مانند توسعه و پاکسازی نهایی را جدا کنید.
محصولات زیستمحیطی را روی برگههای MI (دستورالعمل ساخت) علامتگذاری کنید. برای یادآوری اپراتورها، امضایی که فرآیند بدون سرب را تأیید کند الزامی کنید.
ابزارها و fixtures تولید محصولات اکو را با برچسبهای قابل رؤیت واضح کنید.
جوهرها باید در برابر SMT بدون سرب با دمای بالا و تکرارشده مقاومت کنند. پیشپردازش و خشککردن زیرلایه بسیار مهم است. پس از HASL یا SMT بدون سرب، ممکن است جوهر در لبههای سوراخها پوستهپوسته شود. این اغلب ناشی از رطوبت باقیمانده در سوراخها و روی سطوح است. در حرارت بالا، رطوبت منبسط شده و جوهر را از مس جدا میکند.
به جوهر ماسک لحیم رقیقکننده اضافه نکنید. این کار از تبخیر سریع حلال در سوراخها تحت حرارت بالا که میتواند به سوراخها آسیب برساند، جلوگیری میکند.
محتوای مس در دیگهای قلعکاری HASL را کمتر از 0.85% نگه دارید.
۲.۲.۳ ارزیابی قابلیت اطمینان
در مقایسه با بردهای مدار چاپی غیرمحیطزیست، بردهای مدار چاپی دوستدار محیطزیست نیازمند آزمونهای قابلیت اطمینان قویتری هستند. این آزمونها را اضافه کنید:
آزمایش قابلیت لحیمپذیری. از همان نوع سیملحیم بدون سرب که در تولید استفاده خواهد شد، استفاده کنید.
آزمایش شوک حرارتی. شرایط: -۴۰ درجهٔ سانتیگراد / ۸۵ درجهٔ سانتیگراد / ۱۲۵ درجهٔ سانتیگراد. پس از ۳۰۰۰ چرخه نباید هیچ ترک وجود داشته باشد.
آزمایش چرخههای حرارتی. بدون ترک و بدون حفرههای انقباضی.
آزمایش گرمای مرطوب. شرایط: ۶۰ درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی ۹۰–۹۵٪ به مدت ۵۰۰ ساعت. تحت شرایط دمایی و رطوبت بالا و طولانیمدت، نباید هیچ محصولی شبیه ویسکِرهای فلزی وجود داشته باشد.
۳. PCB سازگار با محیط زیست در مونتاژ نهایی SMT
۳.۱ ویژگیهای SMT بدون سرب
قلع بدون سرب نقطه ذوب بالاتری دارد. این قلع چسبندگی و روانی کمتری دارد، تنش حرارتی بالاتری ایجاد میکند، قابلیت چسبندگی ضعیفتری دارد و بیشتر در معرض اکسیداسیون قرار میگیرد. این امر نیازمند شرایط تولید و کنترل کیفیت سختگیرانهتری است.
۳.۱.۱ طراحی خط SMT
دمای پیشگرم را افزایش دهید. سرعت خط SMT را حدود ۱٫۲–۱٫۸ متر بر دقیقه تنظیم کنید. شیب نوار نقاله را ۳–۵ درجه قرار دهید. در صورت نیاز جبران حرارتی فراهم کنید تا ناحیه SMT در دمای پایدار باقی بماند.
برای اطمینان از آغشتهشدن مناسب، محدوده دمای پیشگرمایش مناسب را حفظ کنید.
مخزن لحیم و کنترل حرارتی:
دمای سطحی قطعه روی برد باید زیر حد حرارتی تضمینشده باقی بماند، در حالی که پشت برد ممکن است تا حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد برسد. فاصله بین مراحل گرمایش را کوتاه کنید تا افت دما بین امواج در حدود ۵۵ درجه سانتیگراد باقی بماند.
هنگام استفاده از لحیم Sn–Ag–Cu، ممکن است بتوان از موج اول صرفنظر کرد.
۳.۱.۲ لحیمکاری دستی اصلاحی
دمای هویه را روی حدود ۳۷۰ ± ۱۰ درجهٔ سانتیگراد تنظیم کنید. از نوک کرومی استفاده کنید. برای زمانهای تماس کوتاه مانند ۳ ثانیه از هویهٔ ۸۰ وات استفاده کنید. زیرلایه را تا دمای ۵۰–۶۰ درجهٔ سانتیگراد پیشگرم کنید. اگر هویه برای مدت طولانی بلااستفاده بماند، آلودگیها را از نوک آن پاک کنید. نوک هویه را با قلع تازه آغشته کنید، سپس برای جلوگیری از اکسید شدن، برق را قطع کنید.
۳.۱.۳ استفاده از محافظت نیتروژنی و مزایای آن
جو فرآیند را بهبود بخشید.
اکسیداسیون را کاهش دهید و چسبندگی قلع به پایههای قطعات را بهبود بخشید.
ظاهر را بهبود بخشید، زیرا اتصالات بدون سرب کمتر براق هستند.
کاهش تغییر رنگ ناشی از قرارگیری طولانیمدت در دمای بالا در فرآیندهای بدون سرب.
۳.۲ یادداشتهای تحقیق و فرآیند ویژه
3.2.1 قلعهای با نقطه ذوب پایینتر از ۱۲۵ درجه سانتیگراد را بهعنوان گزینهای برای موارد خاص بررسی کنید.
3.2.2 از روشهای گرمایش موضعی (گرمایش نقطهای، مادونقرمز یا RF) برای لحیمکاری برخی قطعات در دمای ۲۴۰–۲۶۰ درجه سانتیگراد استفاده کنید. قطعات باید بیش از ۴۰ ثانیه در برابر حرارت دوام بیاورند. ابزارهای گرمایش موضعی ممکن است شامل لیزرها، فلاش زنون (غیرتماسی)، اسلایدرهای داغ یا گرمکنندههای پالسی (تماسی) باشند.
۳.۲.۳ استانداردهایی مانند را دنبال کنید ایزو ۱۴۰۰۰ و مشخصات فرآیند مشتری. روشهای سبز شامل مواد بدون سرب و بدون هالوژن، تصفیه هوا و سیستمهای بازیابی فلوکس هستند که میتوانند حدود ۹۰۱TP3T فلوکس را فیلتر و بازیافت کنند.
۳.۲.۴ در صورت نیاز برای PCBها از اقدامات ضد کپک و ضد موریانه استفاده کنید.
۳.۲.۵ تحقیق و بهکارگیری زیرلایههای PCB آلی قابل بازیافت و زیستتخریبپذیر.
۴. چکلیست خلاصه برای مهندسان و تیمهای تولید
تمام گواهیهای تجزیه مواد اولیه (COA) را بررسی کنید. تأیید کنید که میزان هالوژن و سرب زیر حد مجاز باشد. فایلهای COA را برای ممیزیها نگهداری کنید.
برای مواد بدون سرب و بدون هالوژن از انبارهای جداگانه و برچسبگذاری واضح استفاده کنید. کارکنان را برای جلوگیری از آلودگی متقاطع آموزش دهید.
قوانین CAD و CAM را برای پردازش بدون سرب بهروزرسانی کنید. اندازه پدها و دهانههای ماسک لحیم را در صورت نیاز تنظیم کنید.
آزمایشهای مقدماتی را انجام دهید و قابلیت لحیمپذیری، شوک حرارتی، چرخههای حرارتی و آزمون حرارت مرطوب را ارزیابی کنید. نتایج را پیگیری کرده و با خط پایه مقایسه کنید.
ترکیب حمام HASL را کنترل کرده و میزان مس را پایش کنید. فرآیندهای آبکاری و تمیزکاری را بهخوبی کنترل کنید.
اطمینان حاصل کنید که نواحی پیشگرمکنی در خطوط SMT پایدار باشند. در صورت امکان از نیتروژن برای کاهش اکسیداسیون استفاده کنید.
مراحل خشککردن و پخت نهایی را بهبود دهید تا رطوبت قبل از فرآیندهای دمای بالا از بین برود. از فرهای کنترلشده برای خشککردن زیرلایه استفاده کنید.
هنگامی که استفاده از محصول یا محیط، نیازمند محافظت اضافی در برابر رطوبت باشد، از پوشش کونفورمال استفاده کنید.
بازرسیهای تأمینکنندگان را حفظ کنید و تنها تأمینکنندگان دارای گواهی سبز را تأیید کنید. اعلامیه تأمینکنندگان درباره RoHS و وضعیت بدون هالوژن را الزامی کنید.
برای بازیافت در پایان عمر محصول برنامهریزی کنید. در صورت امکان، طراحی را بهگونهای انجام دهید که جداسازی و بازیابی مواد امکانپذیر باشد.
۵. یادداشتهای پایانی
رعایت قوانین RoHS تنها یک تغییر در مواد نیست، بلکه تغییری در سراسر زنجیره تأمین است. این امر بر انتخاب مواد، کنترل فرآیند کارخانه، طراحی محصول و مونتاژ نهایی تأثیر میگذارد. همچنین آزمایشها و کارهای مربوط به قابلیت اطمینان بلندمدت را نیز تغییر میدهد. تیمها باید با دقت برنامهریزی کرده و گام به گام عمل کنند. با کنترل سختگیرانه مواد و طراحی CAM (ساخت با کمک کامپیوتر) شروع کنید. فرآیندهای پایدار بدون سرب را توسعه دهید. آزمایشهای جامع قابلیت اطمینان را انجام دهید. اپراتورها را آموزش دهید و سوابق واضحی را نگهداری کنید. با این گامها، سازندگان PCB میتوانند محصولات سازگار با RoHS و قابل اعتمادی را برای مشتریان و محیط زیست ارائه دهند.
