Что вы должны знать о бессвинцовой технологии (RoHS)

Это больше, чем просто быть свободными от свинца: что вам необходимо знать о директиве RoHS, как разработчику электроники

Мы производим более 40 миллионов тонн электронных отходов каждый год, и только 12,5% из них подвергаются переработке. Что же происходит с остальными отходами?

Они оказывается в одной из стран третьего мира. Однако проблема заключается вовсе не в самих отходах, а в том, как они влияют на окружающую среду и, в итоге, на наше здоровье.

Свалка электронных отходов в Гане (Африка)

Выброшенные электротовары, в совокупности с кислотным дождем, выделяют свинец, который затем попадает в водопровод. Но что, же можно с этим сделать? Как общество, мы не придаем значение тому, что происходит с электротехническими товарами, когда мы их выбрасываем. И именно поэтому, Европейским союзом была принята директива RoHS для того, чтобы раз и навсегда уберечь нас от накопления опасных веществ. Вот что необходимо знать об этом, каждому разработчику электроники.

Что такое директива RoHS?

The Restriction of Hazardous Substances (Ограничение использования опасных веществ), или RoHS, была принята Европейским союзом в 2003 году и вступила в силу 1 июля 2006 года, ограничив использование опасных веществ в электронной промышленности. Важно отметить, что любые отремонтированные детали, оборудование или производственные запасы, реализованные до 2006 года, не подпадают под действие данной директивы. RoHS ограничивает использование следующих веществ:

• Свинец (Pb)

• Ртуть (Hg)

• Кадмий (Cd)

• Шестивалентный хром (Cr6+)

• Полибромированные бифенилы (PBB)

• Полибромированный дифениловый эфир (PBDE)

Наиболее распространенный вид покрытия печатных плат на основе свинца (HASL)

Из перечисленных веществ наиболее пристального внимания при производстве электротоваров заслуживает свинец, и не без оснований. Ранее его практически повсеместно использовали во время монтажа печатных плат, кроме того, наиболее распространенные финишные покрытия содержали порядка 40% свинца в своем составе до принятия директивы RoHS.

В наши дни в сфере производства электроники все изменилось. Вам будет не просто найти детали, которые содержат свинец, а на рынке предлагается множество бессвинцовых финишных покрытий для ваших продуктов. Но что все это значит для разработчиков и производителей электроники?

RoHS и электронная промышленность

Ограничение по использованию свинца, стало самой большой проблемой для производителей электроники, помимо других запрещенных веществ в директиве RoHS. Почему?

Высокая температура плавления

Для бессвинцового припоя требуется высокая температура плавления - порядка 227°С, для сравнения, при традиционном оловянно-свинцовом припое, используется температура - 180°С. Все компоненты должны быть способны выдерживать такую высокую температуру, для чего необходимо полностью пересматривать процесс их разработки и производства.

Процесс смешанного типа

Поскольку для изготовления свинцовых и бессвинцовых плат требуются совершенно разные температуры, необходимо внедрение отдельных производственных линий. А это означает вложение огромных инвестиций в оборудование для местных компаний, которым необходимо запускать два разных процесса производства с использованием свинца и без него.

Проблемы в системе снабжения

Исключение свинца из производства электроники влияет и на других участников рынка. Ответственность распространяется, в том числе на поставщиков материалов. Как правило, у любого производителя электротоваров вы увидите, требование об обязательном наличии сертификатов соответствия для их поставщиков.

RoHS влияет практически на каждый аспект производства электроники. Разобравшись в производственном процессе, вы поймете, что данная директива влияет, чуть ли не на каждый этап изготовления печатной платы, включая:

• Финишное покрытие печатных плат. Для большинства голых печатных плат в настоящее время используется бессвинцовое покрытие. Рынок предлагает множество вариантов, среди которых ENIG (иммерсионное золото), иммерсионный металл и HASL (выравнивание припоя горячим воздухом).

• Сборка деталей. Бессвинцовый припой требует применение более высоких температур при сборке деталей платы, что имеет огромное значение при выборе необходимых компонентов во время проектирования продукта.

• Срок службы. Платы, произведенные по технологии бессвинцового припоя и финишного покрытия, как правило, имеют более короткий срок службы, отчасти в связи с их повышенной чувствительностью к влажности. Это достаточно важное замечание особенно в том, случае если продукт планируется использовать в экстремальных условиях, на протяжении нескольких лет или десятилетий.

Печатные платы на марсоходе должны иметь срок годности в десятилетия, а не в годы.

Разработчики электротоваров и директива RoHS

Теперь, возможно, у вас возникнет вопрос, какое отношение все это имеет ко мне, разработчику? Если производитель обязан соблюдать требования директивы RoHS, разве не он должен убедиться в выборе финишных покрытий и деталей, которые не содержат свинец? Не совсем так. Если вы не хотите, чтобы при производстве вашего продукта возникали задержки, то необходимо учитывать в процессе проектирования печатных плат массу новых переменных, которые вводит директива RoHS, включая:

Проверка всех компонентов

Прежде чем ваша плата уйдет в производство, вы, как ее разработчик, несете ответственность за подбор деталей, соответствующих требованиям директивы RoHS. К счастью, большинство, если не все поставщики необходимых составляющих, четко определяют на своем веб-сайте, соответствует их продукт требованиям RoHS или нет. Например, у Digikey вы можете увидеть символ в виде зеленого листа рядом с каждым компонентом в результатах поиска. Когда вы просматриваете спецификации для конкретной детали, в верхней части страницы также указывается статус отсутствие свинца/RoHS, все это поможет вам сделать правильный выбор.

Кроме того, помимо подбора компонентов, допускаемых условиями директивы RoHS, вам также необходимо учитывать, способны ли выдержать ваши детали такую высокую температуру, в случае применения бессвинцового припоя. Для чувствительных к температуре компонентам, таких как МЭМС (микроэлектромеханические системы), коммутаторы, мембраны и светодиоды, мы рекомендуем делать заметки в спецификации (BOM) для вашего сборочного цеха, чтобы они заранее знали о температурных ограничениях.

Выбор финишного покрытия

Вам также необходимо взять на себя ответственность за выбор финишного бессвинцового покрытия для вашей печатной платы, и существует множество вариантов для этого. Возможно, это будет не просто, поскольку универсального «лучшего» покрытия пока не существует. Вы обнаружите, что каждый вид имеет свои уникальные преимущества и недостатки, которые должны быть сбалансированы с вашими конструктивными требованиями. Среди самых популярных видов бессвинцового финишного покрытия:

ENIG (Иммерсионное золото с подслоем электролизного никеля)

Иммерсионное золото с подслоем электролизного никеля состоит из никеля, а также тонкого слоя золота на его поверхности. Именно этот верхний слой действует как защитное покрытие никеля.

Финишное покрытие - иммерсионное золото с подслоем электролизного никеля

Преимущества

• Более длительный срок службы, чем у других видов покрытий.

• Площадки и дорожки имеют равномерную плоскую поверхность и квадратную форму, что делает это покрытие идеальным вариантом для установки компонентов с малым шагом.

• С покрытием можно работать голыми руками, не боясь его окисления.

Недостатки

• Более дорогой вариант по сравнению с другими видами, кроме того данное покрытие не перерабатывается.

• Требуется больше припоя для завершения соединения, так как покрытие не подвергается лужению.

• Повышенная подверженность потери сигнала (RF).

OSP (Органическое защитное покрытие)

Данный вид покрытия наносится непосредственно на медную поверхность платы в виде очень тонкого слоя органического соединения. Это вещество на водной основе является хорошо известным, экологически безопасным вариантом финишного покрытия.

Финишное покрытие - органическое защитное покрытие

Преимущества

• Простой процесс нанесения с равномерным покрытием.

• Обеспечивает плоское, перерабатываемое покрытие, подходящее для установки компонентов с малым шагом.

• Стоимость ниже, чем у других видов финишных покрытий, например у ENIG.

Недостатки

• Имеет ограниченный срок годности, так как это органическое вещество на водной основе.

• Не так надежно, как другие виды покрытий, что является проблемой при прохождении нескольких циклов плавления.

• Отсутствие возможности измерения толщины слоя покрытия, что может привести к незащищенным участкам меди.

Иммерсионный металл

Данный вид покрытия может быть в двух формах, в олове или серебре. Как правило, подобное покрытие используется при автоматической сборки печатных плат.

Финишное покрытие - иммерсионный металл

Преимущества

• Экономически выгодный и простой в нанесении вариант покрытия.

• Имеет равномерную и измеримую высоту.

Недостатки

• Быстро тускнеет при прикосновении голыми руками, в связи, с чем является не лучшим вариантом для ручной пайки.

• Как правило, покрытие достаточно тонкое, что ведет к ограниченному сроку годности.

• Возможно формирование сплавов, не поддающихся пайке, а также вызывает окисление (ржавчина).

Lead-Free HASL (Бессвинцовое выравнивание припоя горячим воздухом)

Выравнивание припоя горячим воздухом является самым популярным вариантом среди бессвинцовых покрытий. Процесс нанесения заключается в погружении печатной платы в расплавленный припой, а затем сдувания его излишек с помощью «воздушных ножей» - струй горячего воздуха.

Финишное покрытие - бессвинцовое выравнивание припоя горячим воздухом

Преимущества

• Как правило, самый не дорогой вариант покрытия, идеально подходящий для печатных плат универсального назначения.

• Смачивание площадок происходит быстрее и равномернее, чем у других видов покрытий.

• Обнаружение проблем расслаивания и дегазации до момента сборки.

Недостатки

• Поверхностные площадки слегка округляются после припоя горячим воздухом, в связи, с чем SMD компоненты не лежат на поверхности также плоско, как после иммерсионного золочения.

• Возможность расслаивания и искривления из-за более высоких температур обработки.

• Неравномерное нанесение может привести к неровностям рабочей поверхности при сборке компонентов.

Важно не просто говорить о необходимости бессвинцового финишного покрытия, при сотрудничестве с контрактным производителем электроники. Потратьте свое время и убедитесь, что производственный цех использует такие материалы, которые могут выдержать многократные проходы через печь при высоких температурах, и все соответствует вашими требованиями к температуре компонентов.

Помните о чувствительности к влаге

В соответствии с требованиями директивы RoHS, все компоненты должны поставляться во влагозащитной упаковке с указанием сроков годности. Если в итоге вы будете использовать компонент с вышедшим сроком годности, то, скорее всего, он будет поврежден во время производственного процесса в результате расширения водяного пара. Если вы отправляете детали в свой сборочный цех, то проверьте целостность влагозащитной упаковки и срок годности. Вам необходимо уведомить сборочный цех о любых нарушениях упаковки, а также истекшем сроке годности компонентов, чтобы специалисты могли предварительно прогреть компоненты и удалить лишнюю влагу.

Документируйте сведения о печатной плате

Важно всегда отмечать специфические характеристики вашего продукта, не относящиеся к директиве RoHS, для его разработки и последующей сборки. Поскольку в настоящее время директива RoHS является нормой, а не исключением, это значительно облегчает производителю процесс выбора правильных материалов и технологий для конкретного товара. Например, на изображении внизу, вы видите примечание по изготовлению, где указано требуемое финишное покрытие.

Примечание по изготовлению печатных плат в Сити Электроникс

Основные принципы проектирования

Рекомендации, которые мы давали вам до сих пор, не окажут большого влияния на процесс разработки печатных плат. Это хорошая новость, так как большинство традиционных методов проектирования учитывают требования директивы RoHS. Тем не менее, мы рекомендуем использовать тентинг-метод (паяльная маска полностью закрыта через сквозное отверстие) по обе стороны сквозного отверстия на вашем макете, чтобы избежать выброса газа во время высокотемпературного процесса сборки. Вы также можете избежать эффекта попкорна на чувствительных к влаге компонентах, таких как BGA и PBGA (тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем) с агрессивной формой разветвления.

Корректно закрытые переходные отверстия

Это больше чем свобода от свинца

Соответствие требованиям директивы RoHS является нормой в сфере разработки и производства электроники. Если вы просто любитель, то, скорее всего, директива RoHS вас не будет беспокоить. Однако, как только вы начнете работать над продуктом, который будет производиться и продаваться в Европе, а теперь уже и в России (с 2021 года все производители должны использовать RoHS), вам необходимо быть полностью уверенным в том, что он соответствует требованиям данной директивы. Контрактный производитель должен предоставить сертификаты соответствия, если таковые потребуется для вашего продукта, и вы будете уверены, что ваш продукт будет соответствовать требованиям RoHS. В настоящее время нет каких-либо стандартов маркировки, поэтому ждем каких-либо изменений в этой части.

В конечном итоге, соответствие требованиям директивы RoHS является зоной ответственности не производителя. Вам необходимо контролировать выбор бессвинцовых компонентов, финишного покрытия и не забывать указывать все необходимые примечания в конструкторской документации для того, чтобы изготовителю было максимального удобно. Это коллективная задача, которую вы должны решать вместе для того, чтобы наш мир стал менее токсичным.

Завод Сити Электроникс с 2018 года уже активно применяет данную технологию у себя на производстве в г. Зеленоград. В 2019 году мы успешно реализовали крупный проект (монтаж материнских плат) для лидера рынка в области производства компьютеров и серверов. Если, под ваш проект требуется данная директива, вы можете смело обращаться к нам и будете уверены, что мы реализуем все на самом высшем уровне с применением всех международных стандартов в сфере монтажа печатных плат.