RoHS технологии в електрониката
Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 5, 2006
Стефан Куцаров
Думите "тинол" и "калайдисване" предизвикват много асоциации и спомени в поколения инженери, техници и любители на електрониката и електротехниката. Запояването с калаено-оловни пасти до такава степен бе навлязло в ежедневието, че почти не се обръщаше внимание на отровното олово. Все пак проблемът нe е толкова сериозен както с оловните водопроводни тръби в древния Рим или с оловото в бензина и блажните бои до неотдавна. През 90-те години на миналия век около 7% от оловото, използвано от промишлеността на САЩ, е било влагано в изделия на електронната промишленост. Те продължават да се използват ежедневно от милиони потребители, а изхвърлянето им след употреба замърсява околната среда.
Стремежът за по-чиста природа и грижата за здравето на хората и бъдещето на планетата накараха много правителства, включително тези от Европейския съюз (ЕС) да предприемат законодателни мерки за ограничаване на употребата на вредни химически елементи и вещества в електрически и електронни апаратури. Така се появиха термините ограничаване на опасните вещества (Restriction of Hazardous Substances) RoHS и съответстваща на RoHS технология (RoHS Compliant Technology), които днес имат своето място при производството на дискретни прибори, интегрални схеми (ИС) и електронни изделия. В много фирмени материали се използва терминът безоловен (Lead-Free, Pb-Free), който не съвпада с RoHS, тъй като означава избягване само на употребата на олово. Все по-популярни стават екологично чистите (Green) електронни елементи и изделия, в които списъкът на забранените елементи е по-голям от този на RoHS. Все още обече няма норми, които обективно да определят изделията като екологично чисти и всеки производител създава свои критерии за това. Например при производството на екологично чисти корпуси за ИС (Green IC Packages) фирмата Akor Technology към задължителните ограничения на RoHS е прибавила списък на елементи, които не се използват (напр. фосфор) и други с ограничения в количествата (напр. антимон до 0,09%). Компанията Texas Instruments нарича екологично чисти приборите си, които едновременно са в съответствие с RoHS и съдържат под 0,1% бром и антимон. Важна подробност е, че през последните години бързо нараства търсенето на полупроводникови прибори и изделия, изработени без използването на опасни елементи.
Нормативни документи
От 1 юли 2006 г. произвежданите в ЕС и внасяните за неговите пазари електрически и електронни апаратури не трябва да съдържат олово, живак, кадмий, хром VI (Hexavalant Chromium), полиброминатни бифеноли (Polybrominated Biphenils) PBB и полиброминатни дифенилни етери (Polybrominated Diphenyl Ethers) PBDE. Последните два материала се добавят към пластмасите, за да се намали запалимостта им. Тези ограничения са точно регламентирани в серия документи (предписания RoHS) на ЕС, които могат да бъдат намерени на адрес www.pb-free.info. Ограниченията не се отнасят за никел-кадмиеви, живачни и оловни акумулатори. Придвидени са и случаи, в които се допуска използването на някои от забранените елементи, заедно с разрешените количества. Освен това Европейската комисия може и в бъдеще да прави допълнения за допустимо използване на забранени елементи.
В Директива 2002/95/ЕС се описват апаратурите, за които се отнасят ограниченията, как те трябва да се въвеждат в практиката и се дават допусканите количества на вредните вещества в някои изделия. В Commission Decision 2005/618/EC се правят допълнения на предния документ относително количество на шестте забранени вещества в хомогенни материали (не повече от 0,01% от теглото за кадмий и до 0,1% също от теглото за останалите вещества).
Документът WEEE Directive 2002/96/EC (Waste Electrical and Electronic Equipment - WEEE) дава предписания, които трябва да се спазват при бракуването на електрически и електронни уреди, например начинът на обработката им. Важна особеност е, че документът се отнася за уреди, които могат да бъдат използвани само при включено захранващо напрежение до 1000 V, ако е променливо и до 1500 V, когато е постоянно. Например предписанията не са в сила за детски електрически играчки, които могат да се използват като такива и без батерия. Допълнения и видоизменения на последния документ са направени в 2003/108/EC Amendment to WEEE.
Особено съществено е, че ако дори един от материалите в даден уред не отговаря на изискванията на документите (например в златното покритие на контактите на релета има 0,02% кадмий), той няма да бъде допуснат на пазара. При използване на термина RoHS трябва да се има предвид едно важно заключение - той не включва сплави със съдържание на олово. Типичен пример са сплави с Cu и евентуално други химични елементи, които в производството и експлоатацията запазват своята цялост. Съдържанието на такива сплави в изделие (напр. бронзови детайли) не пречи то да е RoHS.
Означения
Всеки потребител би искал да знае при покупката на елемент и изделие на какви норми той съответства. При изделията е лесно - на лицевата им плоча се поставя специален етикет, съдържащ RoHS или задраскано Pb. Засега съществуват препоръки на държавните институции на САЩ National Electronic Distributors Association (NEDA) и National Electronics Manufacturing Initative (NEMI) за прибавяне към съществуващите означения на елементите на буквата F, която показва, че са RoHS. И тъй като още няма стандарт, всяка фирма прави своя избор. Някои прибавят F или други букви и/или цифри към вече възприетите означения, а други въвеждат нови (напр. TI). При наличие на място върху корпуса, допълнителните букви и цифри се изписват и върху него.
Флюси за спояване (Solder Flux)
При използването на безоловни спояващи сплави също са необходими флюсиращи вещества. Основните изисквания към тях са да могат да се използват оптимално в различните технологии на спояване, да отделят минимално количество летливи органични вещества (VOC Emission), да осигуряват максимално омокряне (wetting) и качествени спойки, включително на критични места, както и лесно да бъдат почиствани от повърхността, върху която са нанесени. Желателно е да не изискват специални условия на съхранение и да не са запалими.
Спояващи пасти (Solder Paste)
Те са съчетание на прахообразна спояваща сплав (Solder Alloy) и флюсиращо вещество. Броят на производителите, използващи запояване за осигуряване на електрическа и механична връзка е огромен. Твърде разнообразни са и приложенията на устройствата със запоени елементи и възли, и съответно изискванията към тях. Поради това засега няма, а вероятно няма и да има една-единствена универсална спояваща сплав, която да замести традиционните. Същевременно немалка част от създадените спояващи сплави са защитени с патенти. В табл. 1 са дадени някои използвани в момента и очертаващи се като переспективни спояващи сплави. Подредени са по нарастване на температурата на топене, а числата пред металите освен калая показват процентното им съдържание.
Двукомпонентните сплави с бисмут (Bi), цинк (Zn) и сребро (Ag) имат засега сравнително ограничено приложение, но се считат като переспективни. Двукомпонентната сплав с мед (Cu) се очаква да намери приложение в инсталации "спойка вълна" (Wave Soldering), където ниската себестойност е от особено значение. За прибори за повърхнинен монтаж (SMD) са подходящи сплави от типа SnAgCu. За запояване на SMD много производители използват паста Sn3Ag0,5Cu. Същевременно за "спойка вълна" и ръчно запояване тя не е особено подходяща, тъй като при изстиването й в нея се появяват малки кухини, затрудняващи автоматичния контрол на качеството (може да ги възприеме като студена спойка). Като перспективни алтернативи се очертават три- и четирикомпонентните сплави с бисмут.
Във всички сплави се използва т. нар. матов калай (Matte Sn, Pure Sn) с температура на топене 232 °С, тъй като с него при определени условия в спойката не се наблюдава появата на "мустаци" (whisker). Наименованието на този тип калай се дължи на външния му вид, а той от своя страна се определя от сравнително едрозърнестата структура на материала. Според определението на NEMI матов е калаят с диаметър на зрънцата между 1 и 5 микрона и съдържание на въглерод между 0,005 и 0,5%. Самите "мустаци" представляват тънки (диаметър няколко микрона)и дълги кристални структури, които израстват навън и перпендикулярно на повърхността. Въпреки, че съществуването им е известно от близо 70 години, механизмът за тяхното образуване не е съвсем ясен. За електронната промишленост е съществено, че те израстват на повърхността на светъл калай (Bright Sn) и негови сплави, нанесени върху мед, тъй като се образуват интерметални съединения (Cu
6Sn5). Причините са механични усилия върху материала (например поради вибрации при работата на дадено устройство), въздействие на електрически полета и влага. Вероятно поради влагата е наблюдавана появата на "мустаци" и в изделия, оставени на склад. Времето за образуване е няколко месеца, а основната опасност е, че може да се получи късо съединение между близко разположени проводящи части. Досега появата на "мустаци" е била избягвана чрез прибавянето на олово. Днес при създаването на всяка нова спояваща сплав задължително се изследва дали тя е whisker-free, т.е. няма опасност от създаване на "мустаци". Обикновено производителите правят това чрез температурни цикли на нанесения слой (Zetex използва 504 цикъла -35°С/+125°С). Най-важната особеност на RoHS спояващите сплави е по-високата им точка на топене от тази на калаено-оловните сплави (178°С за Sn32Pb2Ag) с всички последици от този факт.
Почистването на платките след запояване е един от съществените етапи в технологичния процес. За неговото улесняване са създадени водоразтворими пасти (Water Soluble Paste), чието наименование показва, че е достатъчна вода дори без прибавяне на някакви почистващи препарати.
Важна особеност на всяка спояваща сплав е омокрянето, чрез което се характеризира способността й за разливане в течно състояние и съответно плътно да заема мястото на спойката. Известно е, че всяка течност има молекулярни повърхнинни сили, които съхраняват обема й и не позволяват тя да се разпръсне във въздуха. Когато има течност върху някаква твърда повърхност, съществуват сили на привличане между тях. Течността ще се разлее когато те са по-големи от нейните молекулярни повърхнинни сили. Следователно за получаване на омокряне при запояване трябва повърхнинните сили на разтопената сплав да са по-малки от тези на привличането й с платката. От друга страна увеличаването на температурата на разтопената сплав въвежда допълнителна енергия в нея, повърхнинните сили нарастват и омокрянето се затруднява. Именно това е причината да се търсят спояващи сплави с колкото е възможно по-ниска температура на топене и същевременно е недостатък на RoHS спояващите сплави.
Изборът на спояващата сплав се прави така, че нейната максимална температура Т
Р да не е по-голяма от допустимата температура на запояваните елементи. Например за различните видове танталови кондензатори тя е между 220 и 260°С, а за ИС на кварцови генератори - от 235 до 245°С.
Спояващите пасти, готови за употреба, се предлагат в 4 основни форми. Първата са като проводници (Solder Wire) с диаметър според някои стандарти между 0,025 и 6,35 mm. Втората форма са ленти (Solder Ribbon) с широчина от 0,5 до 76 mm. За правене на големи спойки за специфични приложения, за ръчно запояване и понякога за елементи, монтирани в отвори на печатната платка се използват дебели парчета (Solder Preform) с различно напречно сечение. Размерите на сечението са от няколко десети от mm до около 50 mm. И последната форма са топчета за запояване (Solder Sphere) с диаметър от 0,1 до около 3 mm. Те са особено подходящи за запояване на Ball Grid корпуси.
Безоловни покрития (Pb Free Plating)
Те се нанасят на изводите на елементите и пистите на печатните платки за създаване на условия за добро запояване, както и на повърхността на контакти, куплунги и съединители. Първите безоловни покрития за медните изводи на ИС с никел (Ni) и паладий (Pd), известни като NiPd Finish (фиг. 1) са въведени през 1989 г. от TI и с тях вече са произведени над 50 млрд. ИС. Малко след 1990 г. няколко японски фирми въвеждат трислойни покрития (фиг. 2) с най-горен слой от злато (NiPdAu Finish). Прибавянето на злато подобрява омокрянето и позволява при използване на спояваща сплав Sn3.9Ag0.6Cu да се работи с максимална температура на запояване 235°С (само с 10°С по-висока от тази на класическата сплав Sn36Pb2Ag). Тези покрития вече се използват от много производители. Действието на покритията при запояване е разтопяване на най-горния слой (Pd или Au), с което се осигурява доброто омокряне на Ni. Според изследванията способността на тези покрития да осигуряват добро запояване не се нарушава дори след 4-годишен престой на склад.
Сериозни постижения има и в създаването и масовото използване на безоловни покрития за пистите на печатни платки. Използват се чисти метали (Sn и Ag) и двукомпонентни сплави (NiAu и NiPd) заедно с органични предпазни вещества (Organic Solderablility Preservative, OSP). Последните са с дебелина десетина nm, предпазват покритията от окисляване и не пречат на запояването. Не са малко фирмите, които използват покрития от матов Sn за изводите на дискретни прибори и ИС, като слоят е с дебелина 8-25 микрона. Той се характеризира с лесно нанасяне и възможност за запояване с безоловни и калаено-оловни Vicor. Изследвания на Vicor са показали, че в покрития от светъл Sn се получават мустаци с дължина до 0,7 mm, докато в аналогичното покритие от матов Sn те са дълги не повече от 10-20 микрона, което ги прави безопасни.
Като цяло въвеждането на безоловни покрития в куплунгите изостава в сравнение с изводите на електронни елементи. Все още голяма част от производителите подържат две производствени линии - за куплунги с калаено-оловни и с безоловни покрития. Например Harting след многобройни изследвания се е спрял на матовия Sn, за да може куплунзите да се запояват с безоловни пасти. За куплунги с огънати изводи, които се свързват към платката чрез занитване (press-fit) или като електрическа връзка се използва навиване на проводник (Wire-wrap) се предпочита никелово покритие. Матовият Sn се използва от много фирми за формиране на проводящи площадки върху керамика. За сравнително по-рядко използваните изводи от магнитни материали се предпочита сплав SnAg.
Особености при запояването
Масово разпространеният в продължение на десетилетия метод "спойка вълна" (Wave Soldering) има сравнително малко приложение при използването на RoHS сплави. Основните причини за това е необходимата по-висока температура (с 15-35°С) в сравнение с калаено-оловните сплави, което не само усложнява технологичното оборудване, но може и да повреди някои елементи. Освен това са необходими специални флюси, а и съществува опасност RoHS пастите да повредят стоманените части на оборудването.
Основните методи за запояване с RoHS пасти осигуряват разтопяването им чрез обдухване с горещ въздух (Convection Reflow) CR или на свръхнагрята пара (Vapor Phase Reflow) - VPR. При тях температурата на платката, върху която ще се запояват елементи, трябва да се променя по точно определен начин, наричан профил на запояване (Reflow Profile). Той се състои от четири задължителни етапа (фиг. 3). При подготвителния етап на предварително загряване (Рreheat Stage) се нагрява цялата платка заедно с елементите и нанесената на местата на запояване паста. Скоростта на увеличаване на температурата е 1-3 °С/s при CR и малко по-голяма при VPR, като не трябва да надвишава 6 °С/s поради опасност от повреда на елементи. Етапът завършва при минималната температура на проникване (Minimum Soak Temperature) T
smin с типична стойност до 150 °С. От нея започва етапът на топлинно проникване (Thermal Soak Stage), който продължава до 2 минути и завършва при температура Tsmax = 180 °C. Скоростта на увеличаване на температурата е около 0,5 °С/s и не трябва да надхвърля 1 °С/s. В противен случай спояващата сплав се окислява, от нея се образуват малки топчици и има опасност да не се получат добри спойки. По време на този етап повърхността на платката равномерно се загрява, флюсите се активират за почистване на местата на запояване и от спояващата паста се отделят летливите вещества. Трябва да се има предвид, че в някои каталози за технологично оборудване за запояване двата етапа се дават като един. Но и в този случай трябва да се прави разлика между двете му части, в които скоростта на увеличаване на температурата е различна.
Следва етапът на запояване, в който температурата расте значително по-бързо в сравнение с предните два етапа. Най-напред се достига температурата на топене на спояващата сплав (Liquidous Temperature) T
L. Сплавта се разтопява и разлива, нагряването продължава и се достига максималната температура (Peak Temperature) TP, чиято стойност зависи от спояващата сплав, вида на покритието на запояваните повърхности и вида на запояваните елементи - когато те са големи TP е по-висока. Тази температура се задържа определено време (Dwell Time) tD, за да се осигури почистващото действие на флюса и добро разливане на спояващата сплав. Обикновено то е между 20 и 40 s. През този етап покритията върху запояваните повърхности се разтварят в запояващата сплав и между тях се получава металургична връзка, която е в основата на здравината на спойката. Това прави особено важно контролирането на температурата. Когато тя не е достатъчно висока се получават студени спойки с матов цвят и зърнеста структура. От друга страна твърде високата температура може да повреди елементи или печатната платка. Необходимото време tD не трябва да бъде надхвърляно, тъй като се получават интерметални съединения, които представляват принципна опасност за намаляване на здравината на спойките. Определянето на необходимата температура ТР на пастата и контролирането й по време на процеса не е никак лесно, тъй като тя зависи не само от температурата на горещия въздух, но и от обема на запояваните елементи и вида на изводите им (за SMD или за платки с отвори).
Последният етап на охлаждането (Cool Down Stage) започва с прекратяване на нагряването. За ускоряване на технологичния процес трябва охлаждането на платките до стайна температура да се прави колкото е възможно по-бързо, но скоростта на намаляване на температурата има значение за здравината на спойките при многократни механични въздействия (Fatigue Resistance) и не трябва да е по-голяма от 10 °С/s. Сравнително високите температури на запояване са предпоставка за възникване на дефекти в готовите изделия, най-съществените сред които са:
Повреда на елементи, чувствителни към повишена температура.Ефект на "пуканките" (Popcorn Effect), особено в корпуси на ИС. При увеличаване на температурата на някои неметални съединения те абсорбират влага от въздуха. Когато температурата им достигне 100°С, водните частици се превръщат в пара и при опита си да напуснат съединението създават микропукнатини. Този ефект е подчертан при използването на RoHS сплави за запояване.Отлепяне на пътечки на платката.Трудно спояване на изводи в отвори на платката, особено при малък диаметър.Поява на "мустаци".Изкривяване и дори отлепяне (Tomb-stonning) на запоени SMD прибори. Причината е разлика в температурата при спояване на изводите, което води до нееднакви повърхнинни напрежения в местата на спойките и нарушаване на целостта на тази с по-голямо напрежение.
Правилният избор на температурния профил и точното му спазване имат съществено значение за надеждната работа на изделията. Например значително по-важно, отколкото при използване на калаено-оловни сплави, е запояваните изводи да не са окислени, което налага и по-внимателен подбор на флюсите. Окисляване може да се получи в първите 3 етапа при по-малка скорост на нарастване на температурата от необходимата, докато при прекалено голяма скорост са възможни повреди на платки или елементи.
Специфика на запояване на SMD елементи
За този най-масово използван днес тип монтаж преобладаващо се използва CR, както и запояване в азотна атмосфера. Трябва да се внимава охлаждането да не е прекалено бързо, тъй като е възможно пропукване на някои елементи (напр. многослойни керамични кондензатори).
Ръчно запояване.
Част от спояващите сплави (SnCu, SnAg, SnAgCu) се предлагат под формата на жици, което е невъзможно за тези с бисмут, тъй като са твърде крехки. Поялниците трябва да осигуряват по-висока температура, но това скъсява експлоатационния срок на човките им (наполовина при увеличаване на температурата с 10 °С). Същевременно е важно ефективното автоматично поддържане на температурата им. Оптималната температура на човката може да се определи по експериментален път. Започва се от 350 °С и се намалява със стъпка 10 °С, като с всяка температура се правят спойки. Така се определя тази, от която те вече не са добри и се избира предишната по-голяма стойност.
Самото запояване става по-бавно заради по-голямото време на предварително загряване.
Ъгъл на запояване.
Той се отнася за SMD прибори и има важно значение за осъществяване на добра спойка. Определянето му е изяснено на фиг. 4. По принцип се смята, че колкото е по-малък, толкова по-добри са условията за хубава спойка. Същевременно изследванията показват, че в зависимост от вида на покритието на изводите и запояващата сплав трябва да има определена стойност за най-добра спойка. Ъгълът се определя от фирмата-производител още при конструирането на прибора и за SMD технолога остава само да спазва указанието за препоръчвана спояваща сплав. Например TI определя за своите SMD прибори с NiPd покритие на изводите ъгъл 24,6 ±4,4°.
Изключения при RoHS
Допускат се изключения, които позволяват използването на някои от забранените RoHS вещества в изделия на електротехническата и електронната промишленост.
Олово
- в покрития на някои елементи (електролитни кондензатори, изводи на ИС), в бои, използвани като оцветители, в РVС изделия (за стабилизиране на параметрите).
Кадмий
- за електропокрития, например в някои потенциометри, в пластмасата на някои куплунги и кутии, в електрически контакти, в оцветители за стъкло, керамика и пластмаси, в РVС изделия за стабилизиране на параметрите.
Живак
- в сензори, релета и лампи.
Шествалентен хром
- в антикорозионни бои и пасивиращи покрития.
Вижте още от Електроника
Новият брой 6/2024
