Johdanto: Ympäristövaatimusten noudattaminen PCB-suunnittelussa

Ympäristöstandardien kuten RoHS:n (vaarallisten aineiden rajoittaminen) mukaisten painettujen piirilevyjen suunnittelu on olennaisen tärkeää valmistajille, jotka pyrkivät tuottamaan ympäristöystävällisiä sähköisiä laitteita. Nämä ohjeet auttavat varmistamaan, että PCB-yhdisteet täyttävät lakisääteiset vaatimukset ja säilyttävät korkean suorituskyvyn ja luotettavuuden. Koska maailmanlaajuiset säännöt tiukentuvat, insinöörien on sisällytettävä vaatimustenmukaisuus suunnitteluprosessin kaikkiin vaiheisiin materiaalien valinnasta elinkaaren loppuun. Tämä artikkeli tarjoaa kattavan kehyksen RoHS:n ja muiden ympäristövaatimusten saavuttamiseksi vaarantamatta tuotteiden laatua tai valmistuskelpoisuutta.

RoHS:n ja sen vaikutuksen ymmärtäminen PCB-suunnitteluun

Rajoitetut aineet ja niiden vaihtoehdot

RoHS-direktiivissä (2011/65/EU) rajoitetaan kuutta primaariainetta: lyijyä (Pb), elohopeaa (Hg), kadmiumia (Cd), kuusiarvoista kromia (Cr6+), polybromibifenyyliä (PBB) ja polybromidifenyylieetteriä (PBDE). Vuodesta 2019 lähtien on lisätty neljä ftalaattia (DEHP, BBP, DBP, DBP ja DIBP). PCB-suunnittelijoiden osalta kriittisin rajoitus on lyijy, jota on perinteisesti käytetty juottimessa. Vaihtoehtoja ovat muun muassa tinasilver-kopper (SAC) -seokset, kuten SAC305 (96,5 prosenttia Sn, 3 prosenttia Ag, 0,5% Cu).

Poikkeukset ja luokat

RoHS-järjestelmä sallii erityispoikkeuksia erityisesti lyijylle korkeassa lämpötilassa toimivissa juotteissa, tietyissä lääkinnällisissä laitteissa ja sotilaallisissa sovelluksissa. Suunnittelijoiden on tarkistettava, että tuoteluokka on soveltamisalaltaan ja että poikkeuksia sovelletaan. Direktiivi kattaa luokat, kuten kodinkoneet, tietotekniikkalaitteet, valaistus ja sähkötyökalut. PCB-valmistajille poikkeukset edellyttävät usein yksityiskohtaista dokumentaatiota ja määräaikaista uudistamista. EU:n kanssa voimassa olevien virallisten RoHS-poikkeusten [ noudattaminen on olennaisen tärkeää, jotta vältetään vaatimusten noudattamatta jättäminen.

PCB-teollisuutta koskevat ympäristövaatimukset

Sähkö- ja elektroniikkalaiteromua koskeva direktiivi

Sähkö- ja elektroniikkalaiteromudirektiivi täydentää RoHS-järjestelmää siten, että se manipuloi elektroniikkajätteen asianmukaisen käsittelyn, hyödyntämisen ja kierrätyksen. PCB-suunnittelijoiden on harkittava purkamisen ja materiaalin erottamisen helppoutta. Tähän kuuluu sellaisten PCB-yhdisteiden suunnittelu, joiden vaarallisuus on vähäinen, joissa on kierrätettävää alustaa, kuten FR-4 ilman bromattuja palonestoaineita, ja sen varmistaminen, että liittimet ja kiinnikkeet voidaan poistaa ilman erikoistyökaluja. Sähkö- ja elektroniikkalaiteromudirektiivissä säädetään myös PCB-toimitusketjuihin vaikuttavista merkintä- ja raportointivaatimuksista.

REACH-asetus

REACH (Registration, Evaluation, Authorization and Requirements of Chemicals) koskee kaikkia toimitusketjussa käytettäviä aineita. PCB-valmistajien on varmistettava, että erittäin tärkeitä aineita (SVHC) ei esiinny yli kynnysarvojen.Tyypillisesti 0,1 painoprosenttia. Tämä vaikuttaa pintakäsittelyihin, juotinmaskiin ja laminaatteisiin. Esimerkiksi tiettyjä virtausaktivaattoreita ja valokuviintattavia juotinmaskia on muokattu REACH-asetuksen mukaisiksi. A nykyistä SVHC-ehdokasluetteloa[[] tulisi kuulla materiaalin kelpuutuksen aikana.

Muut standardit

ISO 14001 tarjoaa ympäristöasioiden hallintajärjestelmän, joka auttaa PCB-telakanpitäjiä vähentämään jätettä, energiankulutusta ja päästöjä. Vaikka se ei ole tuotteiden vaatimustenmukaisuusstandardi, se viestittää valmistajalle sitoutumisesta ympäristövastuuseen. Lisäksi IEC 63000 määrittelee tekniset asiakirjat, joilla arvioidaan sähkö- ja elektroniikkatuotteita RoHS-vaatimusten täyttämiseksi. Näiden standardien hyväksyminen luo jatkuvan parantamisen ja avoimuuden kulttuurin.

RoHS-komplianttisia PCB-yhdisteitä koskevat keskeiset suunnitteluohjeet

Materiaalin valinta pohja- ja laminaattiaineille

Valitse laminaatit, jotka eivät ole halogeenittomia täyttämään sekä RoHS- että ympäristömerkin vaatimuksia. Standard FR-4 voidaan määritellä vaihtoehtoisilla hartsijärjestelmillä, jotka poistavat bromattuja palonestoaineita säilyttäen UL 94 V-0 -luokitukset. Yhteiset materiaalit sisältävät []FR-4:n modifioidulla epoksilla[] tai []:n korkealla Tg polyimidillä lämpöjännityksen sietoa varten. Pyydä aina materiaaliilmoituksia laminaattitoimittajilta ja varmista, että perusmateriaalissa, prepreg- tai kuparifoliokäsittelyissä ei ole rajoitettuja aineita.

Lyijyvapaat liuokset ja niiden prosessin vaikutukset

Lyijytön juotos vaatii korkeampia huippuvirtauslämpötiloja.Tyypillisesti 245°C 260°C verrattuna 220°C:seen eutektisen tinan lyijyn osalta. Tämä vaatii huolellista lautasuunnittelua kestämään lämpöjännitystä.

  • Kopterin tasapainotus[ välttääksesi vääntömomentin uudelleenvirtauksen aikana.
  • ]Termal pad suunnittelu[ riittävän juotos nivelmuodostelma ilman sillan.
  • Padin päällystys[], kuten ENIG (sähkötön nikkelin upotuskulta) tai OSP (orgaaninen juottamissuoja) yhteensopiva SAC-seosten kanssa.
  • Stensiiliaukon rakenne, jonka kuvasuhteet mahdollistavat asianmukaisen tahnan vapautumisen korkeissa lämpötiloissa.

IPC-standardit (esim. IPC-7351 maa-alueiden osalta, IPC-7095 BGA-kokoonpanon osalta) antavat ohjeita lyijyttömän prosessin optimointiin.

Osan valinta ja pätevyys

Kaikkien aktiivisten ja passiivisten komponenttien on oltava RoHS-yhteensopivia. Monet valmistajat merkitsevät osia, joilla on ...Pb-vapaa tai ...RoHS... mutta tiukka todentaminen on välttämätöntä. Pyyntö [RoHS-sertifikaattien vaatimustenmukaisuudesta[[] ja mahdollisuuksien mukaan testinäytteiden eriä käyttäen XRF (X-ray fluoresenssi) -spektroskopiaa. Hienojakoiset komponentit (esim. 0,4 mm QFN) saattavat vaatia erityistä huomiota kosteuden herkkyystasoon (MSL) lyijyttömien reflow-profiilien vuoksi. Käytä vain korkeamman lämpöaltistuksen kannalta mitoitettuja komponentteja; muutoin pakkausmurtumia tai delaminointia voi esiintyä.

Suunnittelu lyijyttömillä prosesseissa tapahtuvaa valmistusta varten

DFM-säännöt on mukautettava lyijyttömiin kokoonpanoihin. Lisätä pad-to-pad-varauksia hieman vähentääkseen juottajan strippausriskiä, kun otetaan huomioon SAC-seosten pienemmät kastelukulmat. Työntö [] lämpöä helpottavat [[] suurille kupari kaatopaikoille lämmönlaskun estämiseksi. Optimoi raskaiden komponenttien sijoittaminen epätasaisen laajenemisen välttämiseksi uudelleenvirtauksen aikana. Lisäksi, lisää visuaaliset tunnusmerkit [ hallituksen molemmin puolin tarkka automaattinen sijoittaminen. Monet kangaskoneet tarjoavat erityisiä DFM tarkistuslistoja lyijyttömille suunnitelmille.

Vaatimustenmukaisuuden varmistaminen testauksella ja todentamisella

XRF ja kemiallinen analyysi

XRF spektroskopia on ensisijainen seulontamenetelmä RoHS compliancen suhteen. Käsikäyttöiset analyzerit voivat nopeasti havaita bromin laminaateissa, lyijy juottimessa ja muissa rajoitetuissa elementtejä. XRF:llä on kuitenkin rajoituksia, erityisesti pienille pitoisuuksille ja kevyemmille elementeille. Varmistustestaus ICP-OES:n (induktiivisesti kytketty plasmaoptinen emissiospektrometria) tai GC-MS:n (kaasukromatografia-massaspektrometria) avulla voidaan vaatia täydeltä oikeudelliselta puolustukselta. Testit tulisi suorittaa valmiille levyille ja kriittisille osille, ja tulokset kirjataan vaatimustenmukaisuustietokantaan.

Lyijyttömien kokoonpanojen luotettavuustestaus

Lyijytön juotinliitos on herkempi lämpökierrokselle ja mekaaniselle jännitykselle niiden suuremman kimmoisuuden ja pienemmän venyvyyden vuoksi. Suorita kiihdytetyt lämpökierrokset (-40 °C - 125 °C), 500 - 1000 syklillä nivelten eheyden arvioimiseksi. Pudotusiskutestaus JEDEC JESD22-B111:a kohti on suositeltavaa myös kannettaville laitteille. Monitori pehmuste- tai tynnyrin murtumille läpi reiän, joita voi tapahtua lämpölaajenemiserojen lisääntyessä. Säädä suunnittelusääntöjä, jotka perustuvat testipalautteeseen.

Kestävät käytännöt ja kierrätyssuunnittelu

Materiaalin vähentäminen ja panelisointi Optimointi

Vähennä PCB-kokonaismittoja käyttämällä korkean tiheyden interconnect (HDI) -tekniikoita ja tehokasta reititystä. Optimoi paneelin käyttö romun minimoimiseksi.Ainakin yli 85% käyttökohteesta. Määrittele kuparipainot vain niin paksuksi kuin tarpeen; paksumpi kupari lisää jätettä ja energiaa etsauksessa. Käytä []-välilevyä, jos mahdollista, jotta voidaan pienentää kerrosmäärää ja levyn kokoa. Nämä vaiheet vähentävät materiaalien kulutusta ja ympäristövaikutuksia ja leikkaavat kustannuksia.

Elinajan päättymistä koskevat näkökohdat

Suunnittelulevyt, jotka voidaan helposti purkaa osien korjuuta tai materiaalien hyödyntämistä varten. Vältä sellaisia pinnoiteita, joita ei voida poistaa. Käytä standardikiinnitystyyppejä osien kiinnittämiseen. Merkitse muoviosat (esim. liittimet, kotelot) materiaalin tunnistuskoodeilla ISO 11469:n mukaisesti kierrätyksen tueksi. Jos tuote sisältää paristoja tai energian varastointia, varmista, että ne ovat erotettavissa tuhoamatta PCB:tä. Suunnittelemalla kierrätys, valmistajat voivat noudattaa sähkö- ja elektroniikkalaiteromun tavoitteita ja vähentää kaatopaikkojen kuormitusta.

Dokumentointi ja toimitusketjun jäljitettävyys

Säilytä vaatimustenmukaisuustiedosto, joka sisältää materiaali-ilmoitukset kaikilta toimittajilta, analyysitodistukset ja testiraportit. Tämän tiedoston on katettava kaikki erilliset PCB-materiaalit: laminaatti, prepreg, juotemaski, pintakäsittely, legendamuste ja komponentit. Käytä digitaalista jäljitysjärjestelmää, kuten []PPAP[] (Production Part Approach Process) -työvirrat tai sisäinen BOM (materiaaliluettelo) -tietokanta, joka on merkitty RoHS-vaatimusten noudattamiseen. Kun tarkastus, sääntelyviranomaiset odottavat näkevänsä johdonmukaisen todistusketjun, joka yhdistää jokaisen materiaali-erän vaatimustenmukaisuuden tilaan. Päivitä asiakirjat aina, kun suunnittelutarkistukset tapahtuvat tai kun toimittajat muuttavat materiaaleja.

Päätelmät

Ympäristövaatimusten, kuten RoHS:n, sähkö- ja elektroniikkalaiteromun ja REACH:n, täyttäminen ei ole enää valinnainen lisäosa PCB-suunnitteluun. Yhdistämällä lyijyttömän materiaalin valinnan, lämpötietoisen suunnittelun, luotettavan testauksen ja käytöstä poiston kierrätettävyyden, suunnittelijat voivat tuottaa levyjä, jotka täyttävät sekä oikeudelliset valtuudet että asiakkaiden odotukset. Tässä esitetyt ohjeet tarjoavat käytännön etenemissuunnitelman vaatimustenmukaisten ja korkeavarmojen PCB-yhdisteiden luomiseksi. Seuratkaa jatkuvasti sääntelyn päivityksiä ja tehkää yhteistyötä luotettavien valmistuskumppaneiden kanssa varmistaakseen, että suunnittelunne pysyvät kestävän elektroniikkateollisuuden eturintamassa.