Kể từ khi Liên minh Châu Âu (EU) chính thức ban hành quy định “không chứa chì” vào tháng 12 năm 2003, ngành công nghiệp điện tử toàn cầu đã chịu ảnh hưởng mạnh mẽ. Đến tháng 7 năm 2006, các chỉ thị của EU về Chất thải Thiết bị Điện và Điện tử (WEEE) và về Hạn chế Sử dụng Chất độc hại (RoHS) đã có hiệu lực. Đồng thời, các quy định về không chứa chì và không chứa halogen từ Hiệp hội Công nghiệp Điện tử và Công nghệ Thông tin Nhật Bản (JEITA) và Hiệp hội Các nhà Sản xuất Thiết bị Điện Quốc gia Hoa Kỳ (NEMA) cho ngành đóng gói điện tử cũng có hiệu lực. Từ đó trở đi, các sản phẩm điện tử đưa ra thị trường không được chứa chì, thủy ngân, cadmium, crôm hexavalent, hoặc các lượng giới hạn của biphenyl brom hóa (PBB) hoặc ether biphenyl brom hóa (PBDE) và các chất độc hại khác. Sự thay đổi này ảnh hưởng đến chuỗi cung ứng toàn cầu và sự phát triển của các ngành công nghiệp liên quan, bao gồm ngành PCB. Bài viết này giải thích, thông qua việc kiểm soát nguyên liệu thô, lựa chọn và kiểm soát quy trình không chứa chì, cũng như lắp ráp cuối cùng SMT, cách các sản phẩm PCB thế hệ mới có thể đáp ứng các quy định môi trường ngày càng nghiêm ngặt.
1. Lựa chọn và kiểm soát nguyên liệu thô
Điều này đã được biết đến rộng rãi rằng thủy ngân, cadmium và crôm hexavalent hầu như không bao giờ được sử dụng trong ngành công nghiệp PCB. Ngoại trừ lượng nhỏ trong quá trình xử lý ướt, các nhà sản xuất PCB không cố ý sử dụng các nguyên tố này. Do đó, khi lựa chọn nguyên liệu thô và quy trình sản xuất, việc duy trì hàm lượng chì (Pb) và halogen dưới mức giới hạn là yêu cầu chính để tuân thủ các quy định môi trường cơ bản. Đối với lớp phủ kim loại bề mặt PCB, mục tiêu là không chứa chì (dưới 0.1% Pb). PCB truyền thống và SMT Các ngành công nghiệp sử dụng nhiều hợp kim chì-thiếc, chẳng hạn như HASL và bột hàn. Chì là một nguyên tố kim loại nặng và tồn tại rộng rãi trong tự nhiên. Khi lượng chì mà con người hấp thụ vượt quá mức an toàn, các triệu chứng như thiếu máu, thiếu canxi và suy giảm hệ miễn dịch có thể xuất hiện.
1.1 Tại sao nên sử dụng hàn không chì?
Tác hại của chì trong hàn: Mặc dù lượng chì trong hàn chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng chì được sử dụng ở một số quy mô, nó có thể lan rộng và khó thu hồi hoàn toàn. Ô nhiễm môi trường và lo ngại về ngộ độc chì đã thúc đẩy việc loại bỏ chì. Trong PCB, các halogen (flo F, clo Cl, brom Br, iốt I) chủ yếu được sử dụng trong các lớp laminate và mực in.
1.2 Lựa chọn vật liệu
Một bảng mạch in (PCB) hoàn chỉnh chủ yếu bao gồm ba nhóm thành phần: vật liệu nền (laminate), các lớp phủ bề mặt kim loại và mực in.
1.2.1 Vật liệu nền
Các loại laminate thông dụng như FR-4 Và CEM-3 thường chứa nhiều nhựa epoxy brom hóa. Các loại nhựa này có thể bao gồm tetrabromobisphenol A, biphenyl brom hóa đa vòng và diphenyl ether brom hóa đa vòng. Khi các vật liệu này cháy, chúng có thể giải phóng các hợp chất độc hại cao như dioxin (TCDD) và furan. Nếu con người tiếp xúc với các hợp chất này, chúng rất khó loại bỏ khỏi cơ thể và gây ra các rủi ro sức khỏe nghiêm trọng. Do đó, ngành công nghiệp tấm laminate phủ đồng phải chuyển sang sử dụng vật liệu nền không chứa halogen. Không chứa halogen có nghĩa là hàm lượng clo và brom đều dưới khoảng 0,09%. Sử dụng nhựa epoxy chứa phốt pho để thay thế nhựa epoxy brom hóa. Sử dụng nhựa phenolic chứa nitơ để thay thế các chất xúc tác dicyandiamide truyền thống.
Ngoài ra, các loại laminate thân thiện với môi trường phải có khả năng chịu nhiệt cao. Chúng phải chịu được nhiều chu kỳ hàn lại SMT không chứa chì ở nhiệt độ khoảng 260 °C mà không bị biến màu, bong tróc, biến dạng hoặc cong vênh.
1.2.2 Lớp kim loại bề mặt
Ngành công nghiệp hiện nay rộng rãi sử dụng HASL không chứa chì với công thức thiếc–bạc–đồng (ví dụ: 95,5Sn–3,9Ag–0,6Cu) thay vì hợp kim chì–thiếc. Lớp phủ bề mặt PCB không chứa chì phải có khả năng thấm ướt và chảy tốt. Chúng phải tạo ra ứng suất nhiệt thấp và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Điều này hỗ trợ quá trình gia công SMT không chứa chì. Chất hàn sử dụng cho HASL cũng phải thân thiện với môi trường, có thể tái chế và tương thích với chất hàn SMT để chúng có thể chảy lại cùng nhau.
1.2.3 Mực
Mực in trên bảng mạch in (PCB) bao gồm mực in lớp phủ hàn, mực in ký hiệu và mực in lấp đầy lỗ via. Công thức mực in tương tự như công thức laminate. Chúng chủ yếu chứa nhựa, chất chống cháy brom hóa và chất làm cứng. Nhiều thương hiệu mực in hiện đại đã sản xuất mực in không chứa chất độc hại. Việc lựa chọn mực in phải tuân thủ các quy định môi trường và chịu được các chu kỳ hàn SMT không chì ở nhiệt độ cao lặp đi lặp lại. Mực in không được bong tróc, phai màu, bong vảy hoặc nứt sau khi xử lý.
1.2.4 Kiểm soát vật liệu không chứa chì
Quản lý nguyên liệu thô là một khâu rất quan trọng trong sản xuất PCB thân thiện với môi trường. Ví dụ, nếu thanh hàn chứa chì bị nhầm lẫn thêm vào nồi thiếc tinh khiết, hậu quả có thể rất nghiêm trọng. Các tạp chất từ vật liệu gián tiếp như chất trợ hàn không được bỏ qua. Các biện pháp thực tế bao gồm:
Thiết lập mã vật liệu cho nguyên liệu thô không chứa halogen và không chứa chì.
Sử dụng các dấu hiệu màu sắc và in nhãn “xanh” đã được phê duyệt trên bao bì bên ngoài và bên trong.
Lưu trữ các vật liệu thân thiện với môi trường riêng biệt trong kho và trên khu vực sản xuất. Chỉ định nhân viên cụ thể để thêm chúng vào quá trình sản xuất.
Thực hiện chương trình chứng nhận “nhà cung cấp xanh đạt chuẩn”.
2. Lựa chọn và kiểm soát các quy trình không chứa chì
Các quy trình bề mặt không chứa chì cho PCB bao gồm mạ điện Ni/Au, mạ không điện Ni/mạ ngâm Au, OSP (chất bảo vệ khả năng hàn hữu cơ), mạ ngâm thiếc (thiếc hóa học) và mạ ngâm bạc (bạc hóa học).
2.1 Các bước để triển khai quy trình không chứa chì
Thực hiện các bước sau: thiết kế kỹ thuật → phát triển kỹ thuật → đánh giá độ tin cậy → mua sắm vật liệu → triển khai dự án và triển khai kỹ thuật.
2.2 Triển khai và kiểm soát quy trình
2.2.1 Thiết kế CAM kỹ thuật
Thiết kế cấp dự án cho bảng mạch in thân thiện với môi trường (PCB) phải xem xét tác động đến quá trình xử lý sau SMT và chức năng của PCB sau khi lắp ráp. Công việc CAM phải tính đến các bước SMT.
Mẫu thiết kế bố cục (đường dẫn và hình dạng pad):
Ngăn chặn sự di chuyển của các linh kiện trong quá trình hàn sóng hoặc hàn chọn lọc. Giảm đường kính của một số pad để giảm nguy cơ hàn chập.
Ngăn chặn hiện tượng chập chân QFP trong quá trình hàn sóng. Nếu cần thiết, nghiêng các linh kiện QFP và thiết kế các vùng hàn giả.
Đối với chip tan chảy mềm, tuân thủ các quy tắc trước đó. Đặt các lỗ mở của màng bảo vệ gần các cạnh trong.
Ngăn ngừa cong vênh của bảng mạch:
Kiểm tra khả năng chịu nhiệt của bảng mạch. Chú ý đến nhiệt độ đỉnh chảy mềm trong điều kiện ẩm ướt.
Đối với các tấm ván lớn hoặc các tấm ván chứa các bộ phận nặng, hãy chuẩn bị các khu vực hỗ trợ ở giữa để giảm thiểu hiện tượng cong vênh.
Khi lắp đặt các bộ phận, hãy cố gắng phân bố khối lượng nhiệt đều.
Các tấm ván mỏng nhiều lớp hoặc tấm ván có rãnh cắt dễ bị cong vênh dưới nhiệt độ mềm. Hãy cân nhắc kỹ lưỡng về hình dạng và kích thước.
2.2.2 Phát triển kỹ thuật
Phát triển và kiểm soát quy trình là lĩnh vực quan trọng trong sản xuất PCB thân thiện với môi trường. Các biện pháp thực tế bao gồm:
Không sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường và không thân thiện với môi trường trên cùng một dây chuyền sản xuất. Tách biệt các quy trình như phát triển và làm sạch cuối cùng.
Ghi chú các sản phẩm thân thiện với môi trường trên các bảng hướng dẫn sản xuất (MI). Yêu cầu chữ ký xác nhận quy trình không chứa chì để nhắc nhở nhân viên vận hành.
Làm cho các công cụ và thiết bị sản xuất sản phẩm thân thiện với môi trường trở nên rõ ràng bằng cách sử dụng nhãn dán dễ nhìn.
Mực in phải chịu được quá trình hàn SMT không chì ở nhiệt độ cao lặp đi lặp lại. Quá trình tiền xử lý và sấy khô vật liệu nền rất quan trọng. Sau quá trình HASL hoặc hàn SMT không chì, mực in có thể bong tróc ở viền lỗ. Điều này thường do độ ẩm còn lại trong lỗ và trên bề mặt. Dưới tác động của nhiệt độ cao, độ ẩm giãn nở và tách mực in khỏi đồng.
Không thêm dung môi làm loãng vào mực phủ hàn. Điều này giúp tránh tình trạng bay hơi nhanh của dung môi trong các lỗ dưới nhiệt độ cao, có thể gây hư hỏng lỗ.
Giữ hàm lượng đồng trong nồi hàn HASL dưới 0.85%.
2.2.3 Đánh giá độ tin cậy
So với các bảng mạch in (PCB) không thân thiện với môi trường, các PCB thân thiện với môi trường cần phải trải qua các bài kiểm tra độ tin cậy nghiêm ngặt hơn. Thêm các bài kiểm tra sau:
Thử nghiệm khả năng hàn. Sử dụng loại hàn không chì tương tự như loại sẽ được sử dụng trong sản xuất.
Thử nghiệm sốc nhiệt. Điều kiện: -40 °C / 85 °C / 125 °C. Sau 3000 chu kỳ, không được có vết nứt.
Thử nghiệm chu kỳ nhiệt. Không có vết nứt và không có lỗ rỗng do co ngót.
Thử nghiệm nhiệt ẩm. Điều kiện: 60 °C và 90–95% RH trong 500 giờ. Trong điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm cao kéo dài, không được xuất hiện các sản phẩm dạng sợi kim loại.
3. Mạch in thân thiện với môi trường trong quá trình lắp ráp cuối cùng bằng công nghệ SMT
3.1 Đặc điểm của SMT không chứa chì
Hàn không chì có điểm nóng chảy cao hơn. Nó có độ ướt và độ chảy thấp hơn, chịu ứng suất nhiệt cao hơn, độ ướt kém hơn và dễ bị oxy hóa hơn. Điều này đòi hỏi các điều kiện sản xuất nghiêm ngặt hơn và kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn.
3.1.1 Thiết kế dây chuyền SMT
Tăng nhiệt độ tiền sấy. Điều chỉnh tốc độ dây chuyền SMT khoảng 1,2–1,8 m/phút. Đặt góc nghiêng của băng tải từ 3–5 độ. Cung cấp bù nhiệt ở những vị trí cần thiết để khu vực SMT duy trì nhiệt độ ổn định.
Để đảm bảo độ ẩm tốt, hãy duy trì phạm vi nhiệt độ tiền sấy đúng.
Nồi hàn và điều khiển nhiệt độ:
Nhiệt độ bề mặt của bộ phận trên bảng mạch phải duy trì dưới giới hạn nhiệt độ được đảm bảo, trong khi mặt sau của bảng mạch có thể đạt khoảng 250 °C. Giảm khoảng cách giữa các giai đoạn gia nhiệt để giữ cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa các đợt gia nhiệt nằm trong khoảng 55 °C.
Khi sử dụng hàn Sn–Ag–Cu, có thể không cần sử dụng sóng hàn đầu tiên.
3.1.2 Hàn lại bằng tay
Điều chỉnh nhiệt độ của máy hàn chì khoảng 370 ± 10 °C. Sử dụng đầu hàn mạ crôm. Sử dụng máy hàn chì 80 W cho thời gian tiếp xúc ngắn như 3 giây. Làm nóng trước vật liệu nền đến 50–60 °C. Nếu máy hàn chì không được sử dụng trong thời gian dài, làm sạch các tạp chất trên đầu hàn. Nhúng đầu hàn vào chì hàn mới, sau đó tắt nguồn để ngăn chặn quá trình oxy hóa.
3.1.3 Sử dụng bảo vệ nitơ và lợi ích của nó
Cải thiện môi trường làm việc.
Giảm quá trình oxy hóa và cải thiện khả năng bám dính của hàn trên các chân linh kiện.
Cải thiện vẻ ngoài, vì các mối hàn không chứa chì ít bóng hơn.
Giảm thiểu sự thay đổi màu sắc do tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao trong các quy trình không chứa chì.
3.2 Nghiên cứu và ghi chú quy trình đặc biệt
3.2.1 Nghiên cứu các loại hàn có điểm nóng chảy thấp dưới 125 °C như một lựa chọn cho các trường hợp đặc biệt.
3.2.2 Sử dụng các phương pháp gia nhiệt cục bộ (gia nhiệt điểm, hồng ngoại hoặc RF) để hàn các bộ phận nhất định ở nhiệt độ 240–260 °C. Các bộ phận phải chịu được nhiệt độ trong hơn 40 giây. Các công cụ gia nhiệt cục bộ có thể bao gồm laser, đèn xenon (không tiếp xúc), thanh gia nhiệt nóng hoặc bộ gia nhiệt xung (tiếp xúc).
3.2.3 Tuân thủ các tiêu chuẩn như Tiêu chuẩn ISO 14000 và các thông số kỹ thuật quy trình của khách hàng. Các biện pháp thân thiện với môi trường bao gồm sử dụng vật liệu không chứa chì và halogen, hệ thống lọc không khí, và hệ thống thu hồi chất hàn có khả năng lọc và tái chế khoảng 90% chất hàn.
3.2.4 Sử dụng các biện pháp chống nấm mốc và chống mối cho PCB khi cần thiết.
3.2.5 Nghiên cứu và áp dụng các vật liệu nền PCB hữu cơ có thể tái chế và phân hủy sinh học.
4. Danh sách kiểm tra tóm tắt cho kỹ sư và đội ngũ sản xuất
Kiểm tra tất cả các chứng chỉ phân tích nguyên liệu thô (COA). Xác nhận hàm lượng halogen và chì nằm dưới giới hạn cho phép. Lưu trữ các tệp COA để phục vụ cho các cuộc kiểm toán.
Sử dụng kho lưu trữ riêng biệt và dán nhãn rõ ràng cho các vật liệu không chứa chì và không chứa halogen. Đào tạo nhân viên để tránh nhiễm chéo.
Cập nhật các quy tắc CAD và CAM cho quy trình sản xuất không chứa chì. Điều chỉnh kích thước pad và các lỗ mở của lớp phủ hàn theo yêu cầu.
Thực hiện các thử nghiệm thử nghiệm và đánh giá khả năng hàn, thử nghiệm sốc nhiệt, thử nghiệm chu kỳ nhiệt và thử nghiệm độ ẩm. Theo dõi kết quả và so sánh với giá trị cơ sở.
Kiểm soát thành phần của bể HASL và theo dõi hàm lượng đồng. Đảm bảo các quy trình mạ và làm sạch được kiểm soát chặt chẽ.
Đảm bảo các vùng tiền sấy trên dây chuyền SMT hoạt động ổn định. Sử dụng nitơ khi có thể để giảm quá trình oxy hóa.
Cải thiện các bước sấy khô và nung khô để loại bỏ độ ẩm trước các quá trình nhiệt độ cao. Sử dụng lò sấy có kiểm soát để sấy khô vật liệu nền.
Áp dụng lớp phủ chống ẩm khi sản phẩm hoặc môi trường sử dụng yêu cầu bảo vệ thêm khỏi độ ẩm.
Giữ gìn các cuộc kiểm tra nhà cung cấp và chỉ chấp thuận các nhà cung cấp đạt tiêu chuẩn xanh. Yêu cầu các nhà cung cấp cung cấp giấy chứng nhận về tuân thủ RoHS và không chứa halogen.
Lập kế hoạch tái chế cuối vòng đời. Thiết kế để tháo dỡ và thu hồi vật liệu khi có thể.
5. Lưu ý cuối cùng
Tuân thủ các quy định RoHS không chỉ là sự thay đổi về vật liệu. Đó là sự thay đổi trên toàn bộ chuỗi cung ứng. Nó ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu, kiểm soát quy trình sản xuất tại nhà máy, thiết kế sản phẩm và lắp ráp cuối cùng. Nó cũng thay đổi công tác kiểm tra và đảm bảo độ tin cậy lâu dài. Các đội ngũ phải lập kế hoạch cẩn thận và thực hiện từng bước. Bắt đầu với việc kiểm soát vật liệu nghiêm ngặt và thiết kế CAM. Phát triển các quy trình không chứa chì ổn định. Thực hiện các thử nghiệm độ tin cậy toàn diện. Đào tạo nhân viên vận hành và giữ hồ sơ rõ ràng. Với các bước này, các nhà sản xuất PCB có thể cung cấp các sản phẩm tuân thủ RoHS và đáng tin cậy cho khách hàng và cho môi trường.
