Технология Lead-free
Технология Lead-free
C 01 июля 2006 года страны Европейского Союза переходят на бессвинцовые изделия для внутреннего пользования. Название «Бессвинцовые изделия» не совсем соответствует сути принятых Евросоюзом решений. Речь идет о целой группе химических элементов, ПДК ( предельно допустимая концентрация ) которых в определенных изделиях не должна превышать установленную норму:
1. Свинец (Pb) – не более 0,1%;
2. Ртуть (Hg) – не более 0,1%;
3. Кадмий (Cd) – не более 0,01%;
4. Шестивалентный хром (Cr(IV)) – не более 0,1%;
5. Полибромный бифенол (PBB) – не более 0,1%;
6. Полибромный дифениловый эфир (PBDE) – не более 0,1%;
Эти нормы распространяются на следующие группы изделий:
1. Бытовые приборы;
2. IT и телекоммуникационное оборудование;
3. Бытовое оборудование;
4. Осветительные приборы и системы;
5. Электрические и электронные инструменты;
6. Игрушки и спортивные принадлежности; автоматика.
Поскольку электронные и электрические изделия используются практически во всех группах изделий – это значит, что все электронные изделия, выпускаемые на территории Евросоюза или импортируемые в страны Евросоюза должны соответствовать вышеперечисленным требованиям.
Директиву Европейского Союза, ограничивающую использование шести веществ в новом электрическом и электронном оборудовании после 1 июля 2006 года, принято называть RoHS (Restriction of Hazardous Substances).
Первый вопрос, который задаешь себе после ознакомления с Директивами Европейского Союза, – а Украина тут причем?
На первый взгляд, вроде, как и не причем. Но это только на первый взгляд.
В реальности ситуация выглядит значительно хуже чем кажется.
Дело в том, что к данному движению присоединились Япония и частично США с Канадой. А как известно Европейский Союз, США и Япония являются основными потребителями и разработчиками электронных изделий и компонентов. И ключевое слово здесь электронные компоненты, т.к. украинские изделия электронной промышленности на 99% состоят из импортной элементной базы. А эта элементная база уже, почти в полном объеме, является бессвинцовой (англ. название – Pb free или Lead-free) и обозначается следующими значками на упаковке:
Таким образом, Украина поставлена перед фактом, что начиная с 01 июля 2006 года будут поставляться только бессвинцовые компоненты, что в действительности уже и происходит.
Если двумя словами охарактеризовать положение дел при производстве электрических и электронных изделий, то это практически полное изменение технологии производства. Вызвано оно тем, что температура плавления бессвинцовых припоев выше по сравнению с припоями, содержащими свинец. Это значит, что если у производителя на печатной плате есть хотя бы один Lead-free компонент, то при сборке этой печатной платы по обычной технологии, невозможно получить надёжного паяного соединения выводов компонентов, т.к. температура плавления классического оловянно - свинцового припоя, около 183°С, а температура плавления припоя которым покрыты выводы компонента – около 220°С. Но простое повышение температуры при пайке тоже может не дать результатов, - во первых некоторые компоненты, изготовленные по обычной технологии, критичны к высокой температуре, во вторых при смешивании разнородных сплавов (покрытие вывода компонента и, собственно, припой) так же ухудшаются надёжностные характеристики паяного соединения.
Все эти технологические нововведения более всего ударят по автоматизированной сборке печатных плат (например автоматизированный SMD монтаж и групповая пайка волной), в меньшей степени они затронут ручную сборку и ремонт печатных плат и узлов электронных изделий. Но в последнем случае тоже есть свои подводные камни и течения.
В первую очередь слабым звеном являются паяльные станции, использующиеся при ручном монтаже.
Есть два выхода из сложившейся ситуации:
1. Производить пайку на старом оборудовании с использованием бессвинцовых припоев и высокотемпературных режимов (зачастую являющихся предельно допустимыми для старого оборудования).
2. Закупить и использовать новое оборудование и припои, специально предназначенное для монтажа Lead-free компонентов.
В первом варианте существуют свои недостатки:
1. Хотя практически во всех паяльных станциях температурный диапазон имеет верхний предел 400 градусов Цельсия и выше, это не значит, что данная станция будет также хорошо и надёжно работать на предельных температурных режимах, как и на классическом температурном режиме пайки 180-210°С. Дело в том, что как правило, при проектировании паяльных станций расчет параметров производят на определенный температурный диапазон, а указанный верхний предел температурного диапазона паяльная станция может удерживать в течении очень непродолжительного времени.
Это значит, что, при эксплуатации оборудования в диапазоне температур выше расчетных (210-240°С), ресурс работы обычной паяльной станции резко сократится.
2. Придется гораздо чаще
менять сменные насадки и наконечники на паяльной станции, т.к. они еще более
подвержены деградации при эксплуатации в высокотемпературных режимах. Из–за
того, что многослойное покрытие паяльных наконечников и насадок на старом
оборудовании рассчитано на контакт с классическим оловянно – свинцовым припоем,
применение припоев с высоким содержанием олова (почти 96%) приводит к ещё
большему сокращению времени их эксплуатации.
3. Конструкция паяльных старых паяльных станций, при их использовании для монтажа по бессвинцовой технологии, не позволяет обеспечить требуемый уровень мощности и скорости передачи тепла от нагревательных элементов к точке пайки, что увеличивает время пайки каждого соединения. Это, в свою очередь, приводит к дополнительным потерям времени при монтаже.
Все вышеперечисленные факторы могут привести к неудобству в работе монтажника, а конечном счете и к снижению производительности труда, что всегда ведет к увеличению себестоимости продукции и потере возможной прибыли.
Призывать всех пользователей выбросить старые паяльные станции и закупить новые, было бы глупостью. Разумно было бы выработать ресурс старого оборудования, а при плановой или неплановой покупке оборудования, - покупать новые паяльные станции, специально предназначенные для монтажа по Lead-free технологии. При этом возникает вопрос, - в чем их отличие от обычных паяльных станций.
В двух словах преимущества можно сформулировать так:
1. Основной рабочий диапазон Lead-free паяльных станций - 200 – 250 градусов Цельсия;
2. Повышена мощность и оптимизирована автоматика терморегуляции;
3. Конструкции сменного инструмента оптимизированы для обеспечения более высокой теплопроводности и минимизации тепловых потерь при передаче тепла от нагревателей до точки пайки.
4. Геометрия паяльных наконечников (увеличена толщина и уменьшена длина) позволяет переносить требуемое для качественного оплавления количество тепла, без увеличения температуры самого наконечника, что уменьшает вероятность термического стресса компонентов и печатных плат и продлевает время жизни наконечника.
В завершение хотелось бы слегка затронуть тему технологических материалов предназначенных для монтажа электрической и электронной аппаратуры.
На сегодняшний день припои и пасты делятся по двум характеристикам на две группы по каждой характеристике.
- По композиции сплава:
1.1. Содержащие свинец;
1.2. Бессвинцовые.
- По типу содержащегося флюса:
2.1. Безотмывочные;
2.2. Требующие отмывки после монтажа.
Пункт 1.1 рассматриваться не будет, т.к. на сегодняшний день эта технология хорошо отработана. Остановимся на пункте 1.2.
На сегодняшний день всемирно признанными и самыми распространёнными являются припои на основе так называемого сплава SAC. Это трёхкомпонентный сплав, в состав которого входят три основных ингредиента Sn(олово) Ag(серебро) Cu(медь). Так же очень широко применяется четырёхкомпонентные сплавы, разработанные на базе SAC с добавлением сурьмы. Упомянутые сплавы имеют оптимальный баланс основных технологических характеристик, характеризующх припой:
- довольно низкая температуру плавления (217-218°С)
- хорошая смачивающая способность
- высокая механическая прочность и надёжность паяного соединения
Что касается типа флюса, входящего в состав трубчатого припоя, либо пасты - на данный момент два самых распространённых типа материалов- это No-Clean(содержат флюсы не требующие отмывки после пайки) и Water Soluble (содержат водорастворимые флюсы ).
К преимуществам материалов первого типа следует отнести простоту и дешевизну использования материала. После пайки на поверхности паяных соединений присутствуют незначительные неактивные остатки, не требующие последующего удаления. Флюсы, входящие в состав материалов данной группы изготавливаются на базе синтетических смол и, после пайки могут быть удалены только при помощи специальных моющих средств.
К преимуществам материалов второй группы можно отнести высокую активность флюсов в процессе пайки и простоту удаления после неё. Практически все флюсы данного типа смываются тёплой водой (в крайнем случае с добавлением ПАВ) . Материалы данного класса, как правило, имеют более высокую стоимость по сравнению с безотмвочными материалами. Кроме того следует учитывать то, что, при их применении, технологический цикл ОБЯЗАТЕЛЬНО должен включать в себя процесс отмывки изделий после пайки, что приводит к дополнительному увеличению себестоимости монтажа.
При построении технологического процесса монтажа изделий обязательно следует учитывать тот факт, что нельзя смешивать материалы не требующие отмывки и материалы на основе водорастворимых флюсов. Первые не требуют отмывки и очень плохо удаляются в её процессе, вторые требуют обязательной отмывки так как их остатки обладают высокой электрохимической активностью.
Анатолий Коляденко
Менеджер ООО «РКС компоненты»
г.Киев, Украина
Владимир Пивненко
Руководитель инженерного отдела ДП"Экран" ОАО "ЧеЗаРа"
г.Чернигов, Украина
Copyright © РКС Компоненти - РАДІОМАГ Усі права захищені.
Опубліковано: 2006-05-26 (3827 раз прочитано)