Отказ от использования свинца. Бессвинцовые технологии

Более 50 лет пайка свинцовыми припоями использовалась практически во всей электронной промышленности при установке компонентов на печатные платы. Тем не менее будущее этой технологии находится под большим вопросом в связи с растущим беспокойством, вызванным увеличением содержания свинца в почве и, в конечном счете, проникновением свинца в питьевую воду. Несмотря на научное подтверждение, которое доказывает, что влияние электронной промышленности на содержание свинца в окружающей среде чрезвычайно мало, существует движение за запрещение использования свинца в электронной промышленности.

В октябре 2002 года в Европе было одобрено законодательство, запрещающее использование свинца в большинстве электротехнических и электронных изделий начиная с 1 июля 2006 года. Дополнительное законодательство, определяющее использование свинца в европейской автомобильной промышленности, вступило в силу 1 июля 2003 года. Хотя законодательство напрямую касается лишь Европейского Сообщества, все компании, которые осуществляют поставки в Европу, также должны подчиняться новым правилам.

Свинец в электронике

В электронных изделиях есть три основных компонента, содержащих свинец: припой, покрытие контактных площадок печатных плат и покрытие выводов электронных компонентов. В типичном паяном соединении припой является основным фактором, определяющим наличие свинца. Соответственно покрытие печатной платы и выводы электронных компонентов оказывают на содержание свинца значительно меньшее влияние. В результате, первые шаги к сокращению содержания свинца в электронных изделиях были направлены на поиск сплава, позволяющего заменить традиционные, содержащие свинец припои. В настоящее время припой используется в большинстве случаев установки электронных компонентов на печатную плату:

• технология поверхностного монтажа (используется припой в виде пасты, которая наносится на поверхность печатной платы с помощью специального шаблона или трафарета);
• монтаж в отверстия платы (используется расплавленный припой, который находится в специальной ванне);
• ручная пайка с помощью паяльника (как правило, припой применяется в виде проволоки, тонкой трубки или ленты).

В результате многочисленных экспериментов, которые проводились в течение последних нескольких лет, в качестве замены содержащих свинец припоев было предложено семейство сплавов олова, серебра и меди (SnAgCu).
Для технологии поверхностного монтажа сплав SnAgCu, по всей вероятности, станет наиболее популярным решением. Возможно, наибольшей проблемой для использования такого сплава в качестве припоя является более высокая температура плавления. Например, температура плавления сплава SnAgCu составляет 217°C, в то время как сплав олова и свинца Sn37Pb плавится при температуре 183°C. Соответственно, технологический процесс потребует увеличения температуры пайки до240–260°C.<

Законодательство

Европа стала инициатором движения за запрещение использования свинца в промышленности. В конце 2002 года европейский парламент одобрил две резолюции, регламентирующие влияние отходов электротехнической и электронной промышленности на окружающую среду. Как часть этих законодательных актов использование свинца в большинстве изделий запрещается или сильно ограничится. Резолюции, которые называются «Отходы электрического и электронного оборудования» (The Waste Electrical and Electronic Equipment— WEEE) и «Ограничение опасных веществ» (Restriction of Hazardous Substances — RoHS) требуют сокращения использования содержащих свинец материалов начиная с 1 июля 2006 года.

Дополнительно к этим двум резолюциям Европейское Сообщество приняло также резолюцию «Утилизация автомобилей» (End-of-Life Vehicles-ELV), определяющую использование свинца в автомобильной промышленности. Хотя использование свинцовых припоев в автомобилях временно разрешено, это разрешение не распространяется на применение разъемов с покрытием, содержащим свинец.

В Японии нет законодательства, запрещающего использование свинца в электронике. Тем не менее существует два закона, которые, если применить их вместе, ясно указывают, что такой запрет может быть введен. Первый закон — «Переработка бытовых электронных изделий в Японии», определяет, что производители должны предпринять меры по утилизации телевизоров, холодильников, стиральных машин и т. д. начиная с апреля 2001 года. Второй закон запрещает производителям выброс любых вредных веществ в окружающую среду.

В Соединенных Штатах не существует четких ограничений по использованию свинца в электрическом или электронном оборудовании.

Как это влияет на разъемы

Сегодня достаточно подробно исследовано влияние, которое может оказать запрещение использования свинца на производителей разъемов и их изделия. Покрытие контактов и пластиковый корпус разъема являются основными элементами разъемов, наиболее чувствительными к последствиям применения сплавов, свободных от свинца.

Основным содержащим свинец элементом в разъеме является покрытие контактов (терминалов). Многие терминалы покрываются оловянно-свинцовым сплавом (как правило, гальваническим методом) для обеспечения пайки, а также для создания надежного электрического контакта при беспаечных технологиях, таких, как обжим проводников или запрессовка выводов в печатную плату. Требования, предъявляемые к покрытию терминалов при использовании любой из упомянутых выше технологий, должны учитываться при выборе альтернативного сплава для такого покрытия. Так, покрытие, предназначенное для пайки, должно обладать свойством смачивания поверхности расплавленным припоем и обеспечивать надежность паяного соединения. В случае непаяных соединений (обжим провода в контакте, соединение контактных элементов) покрытие должно обеспечивать соответствующее переходное сопротивление контактной пары, которое не должно ухудшаться со временем и под воздействием климатических условий. Кроме этого, покрытие должно обеспечивать определенное количество сочленений контактной пары. Технология запрессовки контактов в печатную плату требует от покрытия определенного коэффициента трения. Кроме перечисленных факторов не содержащее свинец покрытие должно быть устойчиво к росту «оловянных волосков». Под термином «оловянные волоски» подразумеваются микроскопически тонкие кристаллы чистого олова, которые появляются на поверхности сплава с большим содержанием олова. В случае роста «оловянных волосков» существует опасность, что кристаллы олова могут вызвать короткое замыкание соседних проводников или контактных пар.

Хотя диэлектрические материалы корпусов разъемов (в большинстве случаев — разного вида пластмассы) не содержат свинец, запрещение использования свинца оказало на технологию их производства значительное влияние. Это влияние в основном обусловлено повышенной температурой плавления (240–260°C) используемых припоев. Пластик корпуса должен выдержать такую температуру без сколько-нибудь заметной деформации материала. В настоящее время существуют специальные пластмассы, которые применяются при изготовлении корпусов разъемов для технологии поверхностного монтажа. Такие пластмассы выдерживают температуру пайки традиционных припоев, но их способность сохранять свои свойства при использовании свободной от свинца технологии еще до конца не исследована. При этом исследование пластмассы лишь как материала не дает требуемого результата, так как форма корпуса и толщина стенок оказывают значительное влияние на стойкость к деформации и изменению цвета при повышенных температурах.

Таблица 1

• Вероятность роста «оловянных волосков» при использовании чистого олова, сплавов олова и висмута, олова и серебра немного выше, чем при использовании сплава олова и свинца. Использование никелевого барьера между материалом контакта и покрытием контакта существенно уменьшает такую вероятность. Многие компании, как правило, использует никелевый барьер толщиной 1,25 микрон.
• Исследования показали, что при использовании сплава олова и меди вероятность роста «оловянных волосков» выше, чем при использовании чистого олова.
• При использовании в качестве покрытия сплава олова и висмута есть вероятность того, что при контакте такого покрытия с традиционными покрытиями, содержащими свинец, может образоваться сплав олова, свинца и висмута с температурой плавления 96°C. Такой сплав трех металлов может образоваться в точке контакта, что может существенно повлиять на надежность изделий, работающих в условиях повышенных температур.
• Для сплавов олова и висмута, олова и меди очень трудно контролировать технологический процесс. Так, при использовании сплава олова и висмута, висмут может осаждаться существенно быстрее, что приведет к нарушению технологии.
• Использование для покрытия сплава олова и серебра требует применения специальных, очень сложных реагентов, обеспечивающих одновременное и равномерное нанесение олова и серебра. Изготовление и утилизация таких реагентов является чрезвычайно трудной задачей.
• Стоимость отходов производства при использовании контактов, покрытых сплавом олова и висмута меньше, чем при использовании сплавов олова и свинца, олова и меди. Такие отходы, как правило, подвергаются переработке производителями медных сплавов. Присутствие висмута является недопустимым при производстве таких сплавов.

Технологии

Покрытие контактов

Для обеспечения перехода на технологию, свободную от содержания свинца, существует универсальное решение, которое может использоваться в большинстве отраслей независимо от того, в какой стране размещается производство. Наилучшей заменой существующему сейчас сплаву для покрытия контактов является чистое олово. Производители разъемов применяют этот металл для покрытия контактов на протяжении более двадцати лет. Тем не менее при поиске наилучшего решения проводились эксперименты и с другими металлами и их сплавами. Так, помимо чистого олова, исследовались сплавы олова и висмута (SnBi), олова и меди (SnCu), олова и серебра (SnAg), золота, нанесенного на сплав палладия и никеля (Au flash/PdNi) и золота, нанесенного на палладий (Au flash/Pd). Результаты экспериментов сравнивались по многим параметрам с результатами, полученными при использовании традиционной технологии. В качестве основных параметров можно привести следующие:

• смачиваемость припоем (легкость пайки);
• обеспечение надежного паяного соединения;
• сопротивляемость росту «оловянных волосков»;
• совместимость с существующей технологией;
• переходное сопротивление в месте контакта;
• износостойкость;
• коэффициент трения;
• технология нанесения покрытия;
• стоимость отходов производства;
• стоимость сплава.

В настоящее время при пайке в качестве покрытия контактов применяется сплав, состоящий из 90 весовых частей олова и 10 весовых частей свинца. Таблица 1 показывает сравнение применения указанного сплава и металлов (и их сплавов), которые могли бы его заменить.

Как видно из таблицы 1, лучшим кандидатом для замены сплавов с содержанием свинца является чистое олово. Если бы не вероятность роста «оловянных волосков», чистое олово могло бы стать такой заменой в 100% случаев.
Выбор чистого олова для покрытия контактов был подтвержден и другими производителями разъемов. Такие компании, как Molex, Tyco Electronics, FCI и Amphenol опубликовали совместное заявление с обоснованием использования чистого олова для покрытия контактов разъемов.

Корпуса из пластмассы

Некоторые из термопластических материалов, используемых для изготовления корпусов разъемов, применяются при SMT-технологии. Однако сплавы, выступающие основными кандидатами на замещение сплавов с содержанием свинца, имеют существенно более высокую температуру плавления. Ожидается, что температура пайки при использовании новой технологии будет достигать 260°C. При этом устанавливаемые компоненты должны выдерживать такую температуру в течение 120 секунд.
Температура плавления и температура размягчения (Heat Deflection Temperature; стандарт ISO R 75) являются основными характеристиками, которые определяют способность пластмассы сохранять свойства при повышенной температуре. Температура плавления, определяющая момент перехода пластмассы из жидкого состояния в твердое, является важным параметром, так как пластмасса должна находиться в жидком состоянии при процессе формовки изделия. Температура размягчения — это относительная величина, определяющая способность пластмассы выдерживать под определенной нагрузкой заданную температуру в течение некоторого промежутка времени. В целом, применительно к свободной от свинца технологии поверхностного монтажа, пластмасса должна иметь температуру плавления выше 260°C. При этом температура размягчения тоже должна быть выше 260°C. Однако существует так называемая «серая зона», в которой материал с точкой плавления 260°C может иметь такую же или немного меньшую температуру размягчения. Причем и в этом случае применение конкретного изделия может быть признано допустимым при проведении ряда исследований и экспериментов. Такие исследования проводятся по утвержденной и открыто опубликованной методике тестирования изделий на совместимость с технологией поверхностного монтажа при использовании сплавов, не содержащих свинец.

В таблице 2 приведены температура плавления и температура размягчения для наиболее распространенных пластмасс, используемых в настоящее время при изготовлении корпусов разъемов.

Таблица 2

Некоторые материалы, например, PPA, PA46 и LCP выдерживают температуру, требуемую технологией поверхностного монтажа при использовании сплавов, не содержащих свинец. Изделия из некоторых материалов (PCT и PPS) должны быть подвергнуты дополнительным испытаниям. В результате увеличится цена на все разъемы, в которых потребуется замена корпусов на новые, выполненные из высокотемпературных пластмасс.

Стратегия перехода

Большинство компаний при разработке стратегии выбора материалов в этот переходный период исходят из уверенности, что в промышленности некоторое время будут использоваться как содержащие свинец, так и бессвинцовые сплавы. В течение этого времени будет создано и внедрено большое количество новых изделий, номенклатурных номеров, специальных маркировок и этикеток. Частью стратегии является стремление избежать появления новых номенклатурных кодов там, где это возможно.
Предлагается двухступенчатый переход к технологии, не содержащей свинец. В качестве первого шага будет осуществлен только переход на контакты с покрытием, не содержащим свинец. На этом этапе мы умышленно не касаемся температурной совместимости материала корпуса разъема. Современные технологии гарантируют отсутствие риска при переходе от традиционных сплавов, используемых для покрытия контактов, к покрытию из чистого олова при использовании припоев, содержащих свинец. Как результат, нет необходимости в создании новых номенклатурных номеров, поскольку потребительские свойства изделий не меняются. Такие контакты будут обозначаться как «не содержащие свинец».

Рис. 1. Фотография «оловянного волоска»

На втором этапе будет проведено испытание пластмасс, используемых для изготовления корпусов разъемов, при температуре, определяемой технологией поверхностного монтажа с использованием сплавов, не содержащих свинец. Для разъемов, которым потребуется изменение материала корпуса, будут созданы новые номенклатурные номера. Такие изделия будут обозначаться как «совместимые с технологией поверхностного монтажа при использовании сплавов, не содержащих свинец».

Техническая информация "оловянные волоски"

Чистое олово и сплавы с высоким содержанием олова попали в зону повышенного внимания в связи с проблемой образования «оловянных волосков». Такие «волоски», представляющие собой тонкие кристаллы олова, могут самопроизвольно вырастать на поверхности олова или оловосодержащего сплава и, в некоторых случаях, стать причиной короткого замыкания электрических цепей. Возможная причина появления этих кристаллов — внутреннее напряжение в структуре сплава.

Несмотря на значительные усилия в области исследования этого явления, фундаментальный механизм, который приводит к образованию «оловянных волосков», до сих пор не ясен. Хотя и не был выявлен единственный определяющий фактор, есть мнение, что на рост волосков оказывают влияние следующие факторы:

• внутреннее напряжение материала;
• температура;
• влажность;
• цикличность изменения температуры.

Для примера, компания Molex начала исследование природы этого явления в 1999 году и продолжает эксперименты в настоящее время.