Воздействие законодательства в области RoHS на промышленное изготовление печатных плат

Директивы RoHS (Ограничение на использование опасных веществ) и WEEE (Отходы электрического и электронного оборудования) оказали существенное влияние на призводство современной электроники. Рассмотрим влияние этих директив на компоненты электроники.

1. Элементы для бессвинцовых технологий согласно RoHS и WEEE

Использование бессвинцовых компонентов призванных заменить элементы с содержанием свинца директивами RoHS и WEEE потребовало более пристально заняться процессами сушки устанавливаемых элементов, особенно в пластмассовых корпусах, которые являются наиболее гигроскопичными, что может вызывать растрескивание корпуса при кратковременных циклах нагрева и охлаждения.
В частности это касается интегральных микросхем, а также пассивных элементов  (сопротивлений, индуктивностей), которые могут быть не приспособлены к работе при повышенных температурах (воздействие таких температур может приводить к растрескиванию корпусов, изменению электрических характеристик).  Поэтому использовать при бессвинцовом монтаже можно только элементы, прошедшие обязательную сертификацию производителем. Более подробную информацию для бессвинцового монтажа сертифицированных элементов можно найти в IPC стандартах J-STD-020 и J-STD-033.
Объединенный инженерный совет по электронным устройствам (JEDEC), переопределили максимально безопасный температурный режим для электронных компонентов из-за повышенной температуры пайки расплавлением полуды, которая требуется при исключении свинца.
Инженер-технолог теперь должен обращаться к техническим условиям производителя электронных компонентов, чтобы установить безопасные параметры для пайки расплавлением полуды в случае использования бессвинцовой технологии.

2. Стандарт качества работы IPC-A-610

Стандарт качества работы IPC-A-610D для бессвинцовой технологии

Наиболее широко используемый стандарт качества работы это IPC стандарт критериев приемки электронных сборок — IPC-A-610. Данный документ прошел соответствующую редакцию, в него было включено обследование бессвинцовых межсоединений, выполненных пайкой.

3. Многослойные печатные платы

Достаточно большое количество многослойных печатных плат не способны выдерживать более высокие температуры при бессвинцовом монтаже. Результатом воздействия данных температур превышающих температуры традиционного монтажа с использованием свинца могут быть: расслаивание плат, потемнение, обугливание и провисание. Что также вызывает необходимость более тщательного и дорогостоящего подбора используемых материалов с определенной температурой стеклования (Tg) и температурой разложения (Td).

4. Флюсы для бессвинцовой пайки

Внедрение бессвинцовых технологий оказало влияние и на химический состав флюсов для пайки. Так в ряде случаев стало невозможным использование флюсов для свинцово-оловянных припоев (необходимые для пайки материалы флюса при высоких температурах могут испаряться, разлагаться, окисляться и т.д, что неизменно окажет влияние на качество паяного соединения). Кроме того флюс постоянно должен находиться на поверхности соединяемых пайкой металлических поверхностях с целью исключения их окисления и хорошего смачивания данных поверхностей. С учетом этого флюсы для бессвинцовой пайки должны удовлетворять условиям высоких температур, подбираться с учетом их состава.

5. Требования к гигиене при бессвинцовой технологии пайки

Свинец является тяжелым металлом, токсичность которого подтверждена различными исследованиями и не вызывает сомнений, а наиболее серьезные проблемы связаны с непосредственным попаданием внутрь организма человека содержащих свинец материалов (например свинец в питьевой воде из водопровода, запаянного содержащим свинец припоем). Этот накапливающийся тяжелый металл очень медленно растворяется в организме человека. Поэтому операции монтажа печатных плат только выиграют от того, что технический персонал будет подвергаться более низкому уровню токсичности. Переход на бессвинцовую технологию также должен устранить проблемы, связанные с проглатыванием мелких частиц свинца с загрязненных рук.

6. Стоимость замены свинца

Разработано большое количество бессвинцовых припоев, часть из которых в настоящее время запатентована. Таким образом, права на использование изобретения некоторое время остаются за изобретателем или финансировавшей исследование корпорацией, так что такие сплавы не могут использоваться свободно. Стоимость патентной лицензии для конечного пользователя либо для производителя припоя в большой степени ляжет нагрузкой на конечного пользователя.
Почти в каждом случае стоимость бессвинцового припоя как минимум на 20% выше, чем оловянно-свинцового сплава. Многослойные печатные платы стоят еще дороже, поскольку состоят из многих компонентов. Вместе с необходимостью использовать повышенные температуры для пайки расплавлением полуды увеличиваются затраты на энергию. Существенные затраты обусловлены также подготовкой персонала, способного заниматься заменами при переходе на бессвинцовую технологию. Также могут понадобиться раздельные линии для свинцовосодержащих и бессвинцовых припоев.
Как олово, так и свинец находятся в избытке, легко рафинируются и поэтому являются недорогими в использовании. Совсем по-другому обстоит дело в случае с некоторыми составляющими бессвинцовых припоев, такими как индий (In), галий (Ga) и серебро (Ag). Даже висмут (Bi) является малой составляющей свинцовой руды и в основном получается в процессе его рафинирования. При пайке волной припоя требуется большое количество припоя (сотни фунтов) для заполнения емкости припоя (ванны). Стоимость и доступность некоторых бессвинцовых сплавов делают их массовое использование непрактичным.
В итоге отказ от бинарного сплава олова со свинцом будет означать существенно более высокие стоимости сырьевых материалов.
Существуют и другие возможные и скрытые затраты. Оборудование для пайки может не иметь ширину энергетической зоны, необходимую для использования повышенных тем¬ператур, требуемых для некоторых бессвинцовых сплавов. Может оказаться, что для печей, используемых для пайка расплавом полуды, потребуются иные материалы конструкции, чтобы выдерживать длительные воздействия повышенных температур. Втулки вентилятора и полимерные уплотнители для поддержания инертной атмосферы могут не выдержать намного более высокие температурные режимы, чем были необходимы для обработки сплава олова и свинца. Такие же соображения применимы и к пайке волной припоя. Паяльники для пайки вручную потребуют более высокую температуру нагревания, и еще больше плат может пойти на лом из-за локализованного обугливания, появляющегося при попытке добиться пайки расплавлением полуды при ручной пайке или при выполнении ремонта. Материалам плат, флюсам и другим сопутствующим материалам может потребоваться новый состав, что также повысит затраты.

7. Замена оборудования при внедрении технологий RoHS

В некоторых случаях потребуются изменения в оборудовании для пайки с повышенными температурами и для контактов с материалами, отличными от олова и свинца.

Замена оборудования при внедрении технологии бессвинцовой пайки RoHS

8. Отходы в лом и ошибки выбора материала

В некоторых случаях появятся затраты на разделение материалов (содержащие и не содержащие свинец) и связанный с этим рост рабочего помещения для проведения двух инвентаризаций (материалов со свинцом и без него). Heподходящие материалы должны быть отправлены в лом или распроданы тем, кто все еще использует процессы с применением свинца.

9. Обучение персонала при внедрении бессвинцовых технологий

Каждый сектор производства плат в электронной промышленности сегодня затронут изменениями, вызванными бессвинцовой технологией: освоением нового типа пайки или проверкой соединений, выполненных с ее помощью; электрическим  тестированием; инвентаризацией материалов; проверкой ведомости материалов; составлением требований к поставкам, инвентарным распределением и проверкой поступающих материалов. Адаптация Директивы RoHS и бессвинцовых стандартов к сборным печатным платам определенно потребует самых широкомасштабных изменений. Большое внимание должно быть уделено обучению персонала на каждом уровне изготовления монтажной печатной платы и ее технической поддержки.

10. Испытание надежности бессвинцовых сборок

Замена материалов и припоев для реализации ограничения использования свинца делает необходимым испытание надежности бессвинцовых сборок, предполагая ее сопоставимость с надежностью монтажа на основе олова и свинца. Методы проверки надежности, параметры и модели должны соответствовать свойствам материалов бессвинцовых сборок.

11. Внутрисхемный тест (ICT)

Поскольку температура процесса сборки для большинства не содержащих свинец материалов выше, чем для близкого к эвтектическому припою из Sn и РЬ, то любые остатки флюса при технологии без чистки после его использования сильнее запекаются на поверхностном металле печатной платы PWB. Это препятствует электроиспытанию зондовым контактом. Даже с современными, не требующими чистки пастами припоя и с применением припоя из Sn и РЬ осуществление зондового контакта может быть проблематичным. Часто остатки, которые покрывают контрольные точки, вынуждают производить целый цикл приладок зонда, чтобы проникнуть сквозь остатки флюса.