1.10 Экологические директивы

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ДИРЕКТИВЫ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА КОМПОНЕНТЫ

Основными экологическими директивами для электронных устройств и систем являются директивы WEEE и RoHS к изделиям EEE (Electrical and Electronic Equipment), действующие с 1 июля 2006 года.
Директива WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment), определяющая требования к переработке (Recycling) и захоронению (Disposal) электронных отходов (E-waste), распространяется на следующие 10 категорий изделий EEE:

1. Крупные бытовые электроприборы.
2. Малые бытовые электроприборы.
3. Информационно-технологическое и телекоммуникационное оборудование.
4. Потребительское оборудование.
5. Осветительная аппаратура.
6. Электрические и электронные инструменты.
7. Игрушки, принадлежности для отдыха и спорта.
8. Медицинская аппаратура (за исключением устройств для имплантации).
9. Мониторинг и системы контроля.
10. Торговые автоматы.

ДИРЕКТИВА RoHS*
*RoHS — Restriction of Hazardous Substances

RoHS распространяется на восемь категорий изделий EEE, функционирующих с напряжением, не превышающим 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного тока:

1. Крупные бытовые электроприборы.
2. Малые бытовые электроприборы.
3. Информационно-технологическое и телекоммуникационное оборудование.
4. Потребительское оборудование.
5. Осветительная аппаратура.
6. Электрические и электронные инструменты.
7. Игрушки, принадлежности для отдыха и спорта.
8. Торговые автоматы.

Как видно из перечня, в директиве RoHS отсутствуют две категории изделий из директивы WEEE:

1. Медицинская аппаратура.
2. Мониторинг и системы контроля.

Однако в новой редакции директивы RoHS (RoHS Recast), вступившей в силу со 2 января 2013 года, эти две категории включены в директиву со сроком введения их в действие в течение 2014—2017 годов.

НОВАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ В СВЯЗИ С ДИРЕКТИВОЙ RoHS И БЕССВИНЦОВОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ

• Homogeneous Material — гомогенный материал.
• Maximum Concentration Value (MCV) — максимально допустимая концентрация.
• 1st Level Interconnect (FLI) — 1-й уровень соединения.
• 2nd Level Interconnect (SLI) — 2-й уровень соединения.
• “Lead Solder” exemption — исключения, позволяющие использование свинцовых припоев.
• Forward/Backward Compatibility — прямая и обратная совместимость.
• Exempt Industries and Mixed Technology — «освобожденные изделия» и смешанная технология.
• RoHS-5/RoHS-6 Components — компоненты, соответствующие требованиям RoHS-5 и RoHS-6.
• “Green” Products.

ОГРАНИЧЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ, УСТАНОВЛЕННЫЕ ДИРЕКТИВОЙ RoHS

Табл. 1.13

Максимальная концентрация установлена не от веса изделия, узла или компонента, а от веса каждого отдельного гомогенного материала.

ГОМОГЕННЫЙ МАТЕРИАЛ

Гомогенный материал — это материал, который не может быть механически расчленён на несколько различных материалов (веществ).

Электронные компоненты (конденсаторы, разъёмы, диоды, интегральные схемы и т. д.) не могут быть классифицированы как гомогенные, так как состоят из нескольких гомогенных элементов (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1

НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЁННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ ВЫВОДОВ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ

Табл. 1.14

* Покрытие с использованием свинца в изделиях, имеющих освобождения от требований директивы RoHS

КАТЕГОРИИ БЕССВИНЦОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ МАРКИРОВКА**
**JEDEC Standard JESD97

Табл. 1.15

ВЫЧИСЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СВИНЦА

Покрытие выводов схемы, изображённой на рисунке 1.2, — олово/свинец (Sn 85 % / Pb 15 %) и, соответственно, концентрация свинца для данного гомогенного материала составляет 15 %.

Концентрация свинца и других опасных материалов должна быть рассчитана для каждого гомогенного материала, а не для компонента в целом.

В данном конкретном примере наличие свинца (Pb) в количестве 0.09 % от веса компонента (интегральной схемы в корпусе QFP), однако концентрация свинца для гомогенного материала (покрытия выводов олово/свинец) составляет 15 %, следовательно, этот компонент не соответствует требованиям директивы RoHS.

Рис. 1.2

RoHS EXEMPTIONS — «ОСВОБОЖДЕНИЕ» ОТ ТРЕБОВАНИЙ ROHS ДЛЯ СВИНЦА

• Технологические «освобождения» (применимы для компонентов). Освобождение «Свинец в припоях с высокой температурой плавления» позволяет использовать припои со свинцом внутри полупроводников для соединения чипа с основанием (Substrate). В этом случае содержание свинца в припое должно быть не менее 85 % от веса припоя. Такое соединение (Die With Substrate) известно как First-Level Interconnect (FLI), т. е. 1-й уровень соединения.
• «Освобождения» для изделий определённого применения, требующих гарантированной надёжности работы в течение длительного времени. Эти освобождения относятся к пайке компонентов на печатной плате с использованием свинца в припоях при сборке серверов, изделий телекоммуникации и инфраструктуры. Такое соединение известно как Second-Level Interconnect (SLI), т. е. 2-й уровень соединения. Данные освобождения позволяют использование существующих компонентов и печатных плат со свинцовым покрытием, припоев со свинцом и пайку при обычных конвенциональных температурах.

2ND LEVEL INTERCONNECT — 2-Й УРОВЕНЬ СОЕДИНЕНИЯ

2-й уровень соединения — это электрическое соединение компонента с печатной платой (рис. 1.3). 2-й уровень соединения включает следующие составляющие:

• покрытия выводов компонентов;
• покрытия мест соединения на печатных платах;
• припои.

Рис. 1.3

СИМВОЛЫ И МАРКИРОВКА JEDEC STANDARD JESD97

FORWARD COMPATIBILITY — ПРЯМАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

Характеризует возможность использования существующих компонентов (имеющих свинцовые покрытия выводов) с бессвинцовыми платами, материалами и процессом пайки.

BACKWARD COMPATIBILITY — ОБРАТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

Характеризует возможность использования бессвинцовых компонентов при конвенциональной технологии олово-свинец, а также с имеющимися печатными платами и компонентами с содержанием свинца.

Корпуса BGA и Flip Chip не имеют обратной совместимости! Компоненты в конструкциях BGA и Flip-Chip не являются обратно совместимыми, так как температуры обычного процесса пайки недостаточны для плавления материала SAC (SnAgCu), используемого для выводов (Balls) (рис. 1.4).

ДИРЕКТИВА RoHS И ПОНЯТИЕ LEAD-FREE — В ЧЕМ ОТЛИЧИЕ

Директива RoHS лишь ограничивает применение шести опасных материалов (включая свинец), не затрагивая технологических аспектов ее внедрения.

Директива абсолютно не касается повышенных температурных требований, предъявляемых к компонентам, печатным платам и процессу монтажа.

Рис. 1.4

Понятие Lead-Free не только ограничивает применение свинца, но и требует более высоких температур пайки при бессвинцовой технологии.

Таким образом, требования для соответствия компонентов RoHS и Lead-Free являются следующими:

• компоненты, подлежащие электрическому монтажу (пайке) на печатной плате, должны соответствовать требованиям RoHS и Lead-Free;
• компоненты, которые не должны подвергаться процессу пайки, а лишь механическому монтажу (разъёмы с технологией Press-Fit, кабели, пластмассовые части, крепёж и т.д.), должны соответствовать только требованиям RoHS.

RoHS-5 И RoHS-6

В связи с тем, что применение свинца в некоторых электронных изделиях повышенной надежности разрешено, существуют относительно новые понятия для используемых в них компонентов — RoHS-5 и RоHS-6.
RоHS-6 означает полное соответствие компонентов (для всех шести материалов) требованиям RoHS и Lead-Free, а RoHS-5 предъявляет требования ко всем материалам, кроме свинца, который может быть применен лишь во 2-м уровне соединения, т. е. в припоях, покрытиях выводов компонента и покрытиях мест соединения на печатных платах.

“GREEN” PRODUCTS

Определение Green подразумевает более высокий уровень «чистоты» изделия (компонента), не содержащего не только материалы, ограниченные директивой RoHS, но и галогенные вещества Bromine Br (бром) и Antimony Sb (сурьма): Green = RoHS + no Halogen.