Что такое бессвинцовая технология и как она связана с директивой RoHS?
Под термином «бессвинцовая технология» обычно понимают отказ предприятий электронной и микроэлектронной промышленности от использования составов, способных оказать негативное воздействие на здоровье сотрудников и окружающую среду. В контексте производства электронных сборок это в большей степени означает переход на бессвинцовые припои и паяльные пасты. Основной причиной для этого стала директива о запрещении опасных для здоровья веществ (Restriction of Hazardous Substances или просто RoHS), принятая Евросоюзом. Подробнее о ней – далее по тексту.
Процесс монтажа печатных плат до появления RoHS
До внедрения бессвинцовой технологии основным материалом для пайки компонентов на печатных платах были оловянно-свинцовые припои (Sn-Pb). Как можно догадаться по названию, в их основе лежал сплав свинца и олова в различных процентных соотношениях с минимальным количеством добавок. С точки зрения применения они были весьма удобными, так как, с одной стороны, обладали низкой температурой плавления (менее 200°С), а с другой – обеспечивали хорошую прочность и надежность соединения. Однако свинец считается токсичным металлом. В процессе пайки его пары могут оказывать негативное воздействие на здоровье сотрудников, а при неправильной утилизации электронных отходов содержащий его припой также может наносить вред окружающей среде. В частности, металл вымывается в почву и грунтовые воды на свалках электронных отходов, вызывая серьезные экологические последствия. Это и послужило основной причиной появления RoHS.
Принятие RoHS и регулирующие документы
Директива RoHS была принята Европейским Союзом в 2003 году и вступила в силу 1 июля 2006 года. Она ограничивает использование шести опасных веществ в электронном оборудовании. Директива RoHS 2 (2011/65/EU) расширила список регулируемых продуктов и ужесточила требования по их применению. В 2015 году была принята RoHS 3 (Директива EU 2015/863), которая добавила еще четыре новых вещества в список ограничений.
Основные вещества, ограниченные к применению директивой RoHS – свинец, ртуть, кадмий и шестивалентный хром. В электронной промышленности из этого списка чаще всего применяется свинец, в меньшей степени – кадмий (например, в легкоплавком припое марки ПОСК 50-18). По этой причине директива RoHS получила неофициальное название «директива без свинца», а бессвинцовую технологию иногда называют «технологией RoHS».
RoHS является обязательной для всех производителей, поставляющих продукцию на рынок ЕС. Аналогичные стандарты были приняты и в других странах, например, в Китае (China RoHS) и США (отдельные штаты внедрили свои ограничения). Существуют и исключения: в частности, изделия военной и космической техники по-прежнему содержат в своем составе оловянно-свинцовые припои.
Для изделий широкого потребления отказ от свинцовосодержащих припоев и паяльных паст стал обязательным. Это привело к переходу на так называемые бессвинцовые составы.
Особенности бессвинцовых припоев
Бессвинцовые припои – это группа сплавов, в которых свинец заменен на другие материалы, чаще всего на олово (Sn) в сочетании с серебром (Ag), медью (Cu), висмутом (Bi) или другими металлами. Один из самых распространенных примеров – сплав Sn-Ag-Cu (олово-серебро-медь), также известный как SAC.
Основные отличия и свойства бессвинцовых составов:
- Более высокая температура плавления (217–227°C для SAC и выше для других сплавов) по сравнению с традиционными свинцово-оловянными припоями (около 183°C). Это требует более высоких температур пайки, что может повлиять на выбор компонентов и материалов. При этом сплав Bi58Sn42, наоборот, имеет низкую температуру плавления и может стать хорошей альтернативой довольно токсичному сплаву ПОСК 50-18 на основе олова, свинца и кадмия;
- Хорошая устойчивость к механическим нагрузкам, перепадам температуры и другим внешним воздействующим факторам. Однако по максимальным показателям надежности бессвинцовые сплавы не могут конкурировать с оловянно-свинцовыми;
- Требуют более тщательного контроля процесса пайки, так как они менее текучие и могут образовывать менее надежные соединения при неправильных условиях.
Преимущества:
- Экологичность. Отсутствие свинца снижает вредное воздействие на окружающую среду и здоровье сотрудников, ответственных непосредственно за этап пайки;
- Соответствие международным стандартам. Позволяет экспортировать продукцию в страны, где действуют ограничения;
- Долговечность. Паяные соединения устойчивы к термическим нагрузкам, что позволяет эксплуатировать изделия даже в тяжелых условиях.
Недостатки:
- Сложность процесса пайки. Требуется более мощное оборудование и контроль температуры;
- Высокая стоимость. Бессвинцовые припои и оборудование для их использования дороже;
- Потенциальные проблемы с надежностью. При неправильной пайке могут возникать дефекты, такие как перемычки, шарики припоя, эффект надгробного камня или плохая смачиваемость.
Будет ли полный отказ от свинцовых припоев?
Несмотря на ожесточающиеся законодательства, полный отказ от составов на основе свинца на данный момент не случился и, скорее всего, не произойдет в ближайшем будущем. И дело не только в отмеченных выше недостатках бессвинцовых составов, но и в целом ряде других причин. Например, свинцовые припои все еще используются:
- В хоббийной, непрофессиональной или просто ручной пайке, например, в небольших мастерских по ремонту электрических и электронных изделий.
- В аэрокосмическом и военном оборудовании. Сплавы на основе свинца эксплуатируются десятилетиями, и их особенности хорошо известны. Тогда как свойства бессвинцовых сплавов не до конца изучены, что делает невозможным их применение в особо ответственном оборудовании.
- В некоторых медицинских приборах, где также важна стабильность и долговечность соединений.
- При ремонте устаревшего оборудования, так как оно изначально рассчитано на сборку с использованием свинцово-оловянных составов.
- При монтаже компонентов, чувствительных к перегреву.
Кроме того, все та же RoHS предусматривает ряд исключений, например, сплавы на основе свинца все еще можно применять в серверном оборудовании, телекоммуникационном и в некотором промышленном, так как в данных случаях надежность пайки (и как следствие всего изделия) гораздо приоритетнее экологических соображений.
Заключение
Бессвинцовая технология стала важным шагом в направлении устойчивого и экологически ответственного производства электроники. Однако сейчас, несмотря на постепенное ужесточение законодательства, полный отказ от свинцовых составов все еще не произошел и, с большой вероятностью, не произойдет в ближайшие годы. Основная причина в том, что их свойства и поведение на данный момент еще изучены не настолько хорошо, чтобы их можно было на постоянной основе применять в самых ответственных электрических и электронных изделиях. Но работа в этом направлении, несомненно, ведется. И в будущем можно ожидать дальнейшего развития и совершенствования бессвинцовой технологии, что сделает ее еще более доступной и эффективной.
