Euroopan unionin joulukuussa 2003 antaman virallisen lyijyttömän lainsäädännön jälkeen maailmanlaajuinen elektroniikkateollisuus on kokenut voimakkaan vaikutuksen. Heinäkuuhun 2006 mennessä tulivat voimaan EU:n direktiivit sähkö- ja elektroniikkalaiteromusta (WEEE) ja vaarallisten aineiden käytön rajoittamisesta (RoHS). Samaan aikaan tulivat voimaan myös Japanin elektroniikka- ja tietotekniikkateollisuuden liiton (JEITA) ja Yhdysvaltojen sähköteknisten valmistajien liiton (NEMA) lyijyttömiä ja halogeenittomia elektroniikkapakkauksia koskevat säännöt. Siitä lähtien markkinoille saatetut elektroniikkatuotteet eivät saa sisältää lyijyä, elohopeaa, kadmiumia, kuudenarvoista kromia tai rajoitettuja määriä polybromattuja bifenyylejä (PBB) tai polybromattuja difenyylieettereitä (PBDE) ja muita haitallisia aineita. Tämä muutos vaikuttaa maailmanlaajuiseen toimitusketjuun ja siihen liittyvien teollisuudenalojen kehitykseen, PCB-ala mukaan luettuna. Tässä artikkelissa selitetään raaka-aineiden valvonnan, lyijyttömien prosessien valinnan ja valvonnan sekä SMT-loppukokoonpanon kautta, miten seuraavan sukupolven piirilevytuotteet voivat täyttää yhä tiukemmat ympäristösäännöt.
1. Raaka-aineiden valinta ja valvonta
On hyvin tiedossa, että elohopeaa, kadmiumia ja kuudenarvoista kromia ei käytetä PCB-teollisuudessa juuri koskaan. Lukuun ottamatta märkäkäsittelyssä esiintyviä pieniä määriä PCB:n valmistajat eivät käytä näitä aineita tarkoituksellisesti. Raaka-aineita ja prosesseja valittaessa lyijyn (Pb) ja halogeenien pitoisuuksien pitäminen raja-arvojen alapuolella on siis tärkein vaatimus, jotta voidaan noudattaa ympäristöä koskevia perussääntöjä. Piirilevyjen pintametallien viimeistelyssä tavoitteena on lyijytön (alle 0,1% Pb). Perinteiset PCB- ja SMT teollisuudessa käytettiin paljon lyijy-tinaseoksia, kuten HASL:ää ja juotospastaa. Lyijy on raskasmetalli, ja sitä esiintyy laajalti luonnossa. Kun ihmisen lyijyn saanti ylittää turvallisen tason, voi ilmetä oireita, kuten anemiaa, kalsiumin puutosta ja heikentynyttä vastustuskykyä.
1.1 Miksi käyttää lyijytöntä juotosta?
Juotoksissa olevan lyijyn aiheuttamat haitat: Vaikka juotosten sisältämä lyijy on vain pieni osa lyijyn kokonaiskäytöstä joissakin mittakaavoissa, se voi levitä, ja sitä on vaikea saada kokonaan talteen. Ympäristön pilaantuminen ja huoli lyijymyrkytyksestä pakottavat siirtymään pois lyijystä. PCB:ssä halogeeneja (fluori F, kloori Cl, bromi Br, jodi I) käytetään pääasiassa laminaateissa ja painoväreissä.
1.2 Materiaalin seulonta
Valmis piirilevy sisältää pääasiassa kolme ryhmää: laminaatti (perusmateriaali), metallipinnan viimeistelykerrokset ja painovärit.
1.2.1 Perusmateriaali
Yleiset laminaatit, kuten FR-4 ja CEM-3 sisältävät usein paljon bromattuja epoksihartseja. Nämä hartsit voivat sisältää tetrabromibisfenoli A:ta, polybromattuja bifenyylejä ja polybromattuja difenyylieettereitä. Kun nämä materiaalit palavat, niistä voi vapautua erittäin myrkyllisiä yhdisteitä, kuten dioksiineja (TCDD) ja furaaneja. Jos ihminen nauttii tällaisia yhdisteitä, niitä on vaikea poistaa elimistöstä ja ne aiheuttavat vakavia terveysriskejä. Siksi kuparipäällysteisen laminaattiteollisuuden on siirryttävä halogeenittomiin perusmateriaaleihin. Halogeenittomuus tarkoittaa, että kloorin ja bromin pitoisuudet ovat molemmat alle 0,09%. Käytä fosforia sisältäviä epoksihartseja bromattujen epoksihartsien tilalla. Käytetään typpeä sisältäviä fenolihartseja korvaamaan perinteiset dikyandiamidikovetteet.
Ympäristöystävällisillä laminaateilla on myös oltava vahva lämmönkestävyys. Niiden on kestettävä useita lyijyttömiä SMT-reflow-syklejä noin 260 °C:n lämpötilassa värjäytymättä, irtoamatta, deformoitumatta tai vääntymättä.
1.2.2 Metallipintakerrokset
Teollisuudessa käytetään nykyään yleisesti lyijytöntä HASL:ää, jonka kaava on tina-hopea-kupari (esimerkiksi 95,5Sn-3,9Ag-0,6Cu) lyijy-tinaseosten sijasta. Lyijyttömien piirilevyjen pintapinnoitteiden on osoitettava hyvää kostumista ja virtausta. Niiden on tuotettava alhainen lämpöjännitys ja kestettävä hapettumista korkeissa lämpötiloissa. Tämä auttaa lyijytöntä SMT-käsittelyä. HASL:ssä käytettävän vuon on myös oltava ympäristöystävällistä, kierrätettävää ja yhteensopivaa SMT-vuonien kanssa, jotta ne sulavat yhdessä.
1.2.3 Musteet
Piirilevylle jääviin musteisiin kuuluvat juotosmaskin musteet, legendamusteet ja läpivientien täyttömusteet. Mustekaavat ovat samanlaisia kuin laminaattikaavat. Ne sisältävät pääasiassa hartsia, bromattuja palonestoaineita ja kovetteita. Monet nykyaikaiset mustemerkit tuottavat jo musteita, joissa ei ole haitallisia aineita. Musteen valinnan on täytettävä ympäristösäännöt ja sen on myös kestettävä toistuvia korkean lämpötilan lyijyttömiä SMT-syklejä. Musteet eivät saa delaminoitua, värjääntyä, hilseillä tai halkeilla käsittelyn jälkeen.
1.2.4 Lyijyttömien materiaalien valvonta
Raaka-aineiden hallinta on erittäin tärkeä osa ympäristöystävällistä PCB-tuotantoa. Jos esimerkiksi lyijypitoinen juotostanko lisätään vahingossa puhtaaseen tinapataan, tulos voi olla katastrofaalinen. Epäsuorista materiaaleista, kuten juoksuteista, peräisin olevia jäämiä ei saa jättää huomiotta. Käytännön toimenpiteitä ovat mm:
Aseta materiaalikoodit halogeenittomille ja lyijyttömille raaka-aineille.
Käytä värimerkintöjä ja paina hyväksytty “vihreä” etiketti ulko- ja sisäpakkauksiin.
Säilytä ympäristöystävälliset materiaalit erikseen varastossa ja tuotantotiloissa. Määritä tietty henkilökunta lisäämään niitä tuotantoon.
Toteutetaan “vihreän pätevän toimittajan” sertifiointiohjelma.
2. Lyijyttömien prosessien valinta ja valvonta
Piirilevyjen lyijyttömiä pintaprosesseja ovat galvanoitu Ni/Au, sähkötön Ni/immersio Au, OSP (orgaaninen juotettavuuden säilöntäaine), upotustina (kemiallinen tina) ja upotushopea (kemiallinen hopea).
2.1 Vaiheet lyijyttömien prosessien käyttöönotossa
Seuraa seuraavia vaiheita: tekninen suunnittelu → tekninen kehitys → luotettavuuden arviointi → materiaalihankinnat → hankkeen toteutus ja tekninen käyttöönotto.
2.2 Prosessin toteuttaminen ja valvonta
2.2.1 CAM-suunnittelu
Ympäristöystävällisten piirilevyjen projektitason suunnittelussa on otettava huomioon vaikutukset SMT-jatkojalostukseen ja piirilevyn toimintaan kokoonpanon jälkeen. CAM-työssä olisi otettava huomioon SMT-vaiheet.
Esimerkki layout-suunnittelusta (reititys ja pad-muodot):
Estää komponenttien liikkumisen aalto- tai valikoivan juotoksen aikana. Pienennä joidenkin tyynyjen halkaisijoita hieman silloitusriskin vähentämiseksi.
Estä QFP-johtojen silloittuminen aaltojuottamisen aikana. Tarvittaessa kallista QFP-osia ja suunnittele tyhjiä juotosalueita.
Pehmeitä lastuja varten noudatetaan aiempia sääntöjä. Aseta suojakalvon aukot lähelle sisäreunoja.
Ehkäise levyn vääntyminen:
Tarkista levyn lämmönkestävyys. Kiinnitä huomiota pehmeän sulan huippulämpötiloihin kosteuden alla.
Valmistele suurille levyille tai levyille, joissa on painavia osia, keskelle tukialueita vääntymisen vähentämiseksi.
Kun sijoitat osia, pyri siihen, että lämpömassan jakautuminen on tasaista.
Ohuet monikerroksiset levyt tai levyt, joissa on leikattuja uria, vääntyvät helposti pehmeän sulan lämmön vaikutuksesta. Harkitse muotoa ja kokoa huolellisesti.
2.2.2 Tekninen kehitys
Prosessin kehittäminen ja valvonta on ympäristöystävällisen piirilevytuotannon keskeinen osa-alue. Käytännön toimia ovat mm:
Älä käytä ympäristöystävällisiä ja ei-ekologisia materiaaleja samalla linjalla. Erottele prosessit, kuten kehitys ja loppupuhdistus, toisistaan.
Merkitse ekotuotteet valmistusohjeisiin (MI). Vaaditaan allekirjoitusta, jolla vahvistetaan lyijytön prosessi, jotta käyttäjät muistuttavat siitä.
Tee ekotuotteiden tuotantovälineistä ja -laitteista näkyviä näkyvillä merkinnöillä.
Musteiden on kestettävä toistuvia korkean lämpötilan lyijytöntä SMT:tä. Esikäsittely ja alustan kuivaus ovat erittäin tärkeitä. HASL- tai lyijyttömän SMT:n jälkeen muste saattaa irrota reikien reunoista. Tämä johtuu usein reikiin ja pinnoille jääneestä kosteudesta. Korkeassa kuumuudessa kosteus laajenee ja irrottaa mustetta kuparista.
Älä lisää juotosmaskin musteeseen ohentimia. Näin vältetään liuottimen nopea haihtuminen reikiin kovassa kuumuudessa, mikä voi aiheuttaa reikien vaurioitumisen.
Pidä HASL-juotosastioiden kuparipitoisuus alle 0,85%.
2.2.3 Luotettavuuden arviointi
Verrattuna muihin kuin ympäristöystävällisiin piirilevyihin ympäristöystävälliset piirilevyt tarvitsevat tiukempia luotettavuustestejä. Lisää nämä testit:
Juotettavuustesti. Käytä samantyyppistä lyijytöntä juotosta kuin tuotannossa käytetään.
Lämpösokkitesti. Olosuhteet: -40 °C / 85 °C / 125 °C. 3000 syklin jälkeen ei saa olla halkeamia.
Lämpösyklitesti. Ei halkeamia eikä kutistumishalkeamia.
Kosteuslämpökoe. Olosuhteet: 60 °C ja 90-95% RH 500 tunnin ajan. Pitkäaikaisessa korkeassa lämpötilassa ja kosteudessa ei saa esiintyä metalliviiksimäisiä tuotteita.
3. Ympäristöystävällinen PCB SMT-loppukokoonpanossa
3.1 Lyijyttömän SMT:n ominaisuudet
Lyijyttömällä juotteella on korkeampi sulamispiste. Sen kostuminen ja virtaus on heikompaa, lämpöjännitys on suurempi, kostutettavuus on huonompi ja se on alttiimpi hapettumiselle. Tämä edellyttää tiukempia valmistusolosuhteita ja laadunvalvontaa.
3.1.1 SMT-linjan suunnittelu
Nosta esilämmityslämpötilaa. Säädä SMT-linjan nopeus noin 1,2-1,8 m/min. Aseta kuljettimen kallistus 3-5 asteeseen. Tarjoa tarvittaessa lämpökompensointi, jotta SMT-alueen lämpötila pysyy vakaana.
Varmista hyvä kostutus pitämällä oikea esilämmityslämpötila-alue.
Juotospannu ja lämmönsäätö:
Osan pintalämpötilan on pysyttävä piirilevyn taatun lämpörajan alapuolella, kun taas piirilevyn takapuolella lämpötila voi nousta noin 250 °C:een. Lyhennetään lämmitysvaiheiden välistä etäisyyttä, jotta aaltojen välinen lämpötilan lasku pysyy noin 55 °C:ssa.
Kun käytetään Sn-Ag-Cu-juotosta, voi olla mahdollista lopettaa ensimmäisen aallon käyttö.
3.1.2 Käsikäyttöinen uudelleenjuottaminen
Aseta juotosraudan lämpötila noin 370 ± 10 °C:een. Käytä kromattua kärkeä. Käytä 80 W:n juotosrautaa lyhyitä kosketusjaksoja, kuten 3 sekuntia, varten. Esilämmitä alustan lämpötila 50-60 °C:een. Jos juotosrauta on ollut pitkään käyttämättömänä, puhdista epäpuhtaudet kärjestä. Kostuta kärki tuoreella juotteella ja katkaise sitten virta hapettumisen estämiseksi.
3.1.3 Typpisuojauksen käyttö ja sen hyödyt
Paranna prosessin ilmapiiriä.
Vähentää hapettumista ja parantaa komponenttien johtimien juotoksen kostumista.
Parantaa ulkonäköä, koska lyijyttömiä liitoksia ei ole yhtä kiiltävä.
Vähentää värimuutosta, joka aiheutuu pitkästä korkean lämpötilan altistumisesta lyijyttömissä prosesseissa.
3.2 Tutkimus ja erityiset prosessimuistiinpanot
3.2.1 Tutki matalan sulamispisteen alle 125 °C:n juotoksia vaihtoehtona erityistapauksia varten.
3.2.2 Käytä paikallisia lämmitysmenetelmiä (pistelämmitys, infrapuna tai RF) tiettyjen osien juottamiseen 240-260 °C:ssa. Osien on kestettävä kuumuutta yli 40 sekuntia. Paikallisia lämmitystyökaluja voivat olla esimerkiksi laserit, ksenon-salama (kosketuksettomat), kuumat liukusäätimet tai pulssilämmittimet (kosketukselliset).
3.2.3 Noudatetaan standardeja, kuten ISO 14000 ja asiakkaan prosessispesifikaatiot. Ympäristöystävällisiin käytäntöihin kuuluvat lyijyttömiä ja halogeenittomia materiaaleja, ilmanpuhdistus ja vuon talteenottojärjestelmät, joilla voidaan suodattaa ja kierrättää noin 90% vuota.
3.2.4 Käytä tarvittaessa homeen ja termiittien torjuntatoimenpiteitä PCB:n osalta.
3.2.5 Tutkitaan ja käytetään kierrätettäviä ja biohajoavia orgaanisia PCB-substraatteja.
4. Yhteenvetotarkistuslista insinööreille ja tuotantoryhmille
Tarkista kaikki raaka-aineiden analyysitodistukset (COA). Varmistetaan, että halogeeni- ja lyijypitoisuudet ovat raja-arvojen alapuolella. Säilytetään COA-tiedostot tarkastuksia varten.
Käytä lyijyttömiä ja halogeenittomia materiaaleja varten erillistä varastointia ja selkeitä merkintöjä. Kouluta henkilökunta välttämään ristikontaminaatiota.
CAD- ja CAM-sääntöjen päivittäminen lyijytöntä käsittelyä varten. Säädä tyynyjen kokoja ja juotosmaskin aukkoja tarpeen mukaan.
Suorita koeajoja ja arvioi juotettavuus-, lämpöshokki-, lämpökierto- ja kostean lämmön testit. Seuraa tuloksia ja vertaa niitä perustasoon.
HASL-kylvyn koostumuksen valvonta ja kuparipitoisuuden seuranta. Pidä pinnoitus- ja puhdistusprosessit hyvin hallinnassa.
Varmista, että SMT-linjojen esilämmitysalueet ovat vakaita. Käytä mahdollisuuksien mukaan typpeä hapettumisen vähentämiseksi.
Parannetaan kuivaus- ja paistovaiheita kosteuden poistamiseksi ennen korkean lämpötilan prosesseja. Käytetään valvottuja uuneja substraatin kuivaukseen.
Käytä conformal-pinnoitetta, kun tuotteen käyttö tai ympäristö vaatii ylimääräistä kosteussuojaa.
Ylläpidä toimittajien tarkastuksia ja hyväksy vain vihreitä päteviä toimittajia. Vaadi toimittajilta ilmoituksia RoHS- ja halogeenittomuudesta.
Suunnittele käyttöiän loppupään kierrätys. Suunnittele purkaminen ja materiaalien hyödyntäminen mahdollisuuksien mukaan.
5. Loppumuistiinpanot
RoHS-sääntöjen noudattaminen ei ole pelkkä materiaalimuutos. Se on muutos koko toimitusketjussa. Se vaikuttaa materiaalivalintoihin, tehtaan prosessinohjaukseen, tuotesuunnitteluun ja loppukokoonpanoon. Se muuttaa myös testausta ja pitkän aikavälin luotettavuustyötä. Tiimien on suunniteltava huolellisesti ja toimittava vaiheittain. Aloitetaan tiukalla materiaalivalvonnalla ja CAM-suunnittelulla. Kehitetään vakaita lyijyttömiä prosesseja. Suorita perusteelliset luotettavuustestit. Kouluttakaa käyttäjiä ja pitäkää selkeää kirjanpitoa. Näiden vaiheiden avulla piirilevyvalmistajat voivat toimittaa RoHS-standardin mukaisia ja luotettavia tuotteita asiakkaille ja ympäristölle.
