Бессвинцовая директива – ROHS и связанные с ней проблемы

Говоря о финишных покрытиях печатных плат нельзя не упомянуть о «бессвинцовой директиве» – ROHS и связанных с ней проблемы. Эти проблемы сильно пересекаются с проблемами формирования паяных соединений при сборочно- монтажных работах, а паяемые покрытия печатных плат непосредственно участвуют в процессе этого формирования. Директива касается 6-ти опасных для здоровья материалов. Но в части финишного покрытия печатных плат и паяных соединений выводов микросхем и других компонентов электронных модулей речь будет идти о свинце, вернее о его отсутствии.

О, так называемой, «бессвинцовой технологии».

Несмотря на то, что по всем 6-ти веществам (в т.ч. свинцу) специфицированы цифры предельно допустимого содержания – не более 0,1%, с учетом понятия гомогенного материала ( не буду вдаваться в подробности - кто захочет посмотрит первоисточники) , в финишном покрытии печатных плат, выводах компонентов и материале паяного соединения выводов к печатных плат в изделиях сертифицированных на соответствие директивы RoHS свинца быть не должно.

Надежность паяных соединений, выполненных по «бессвинцовой технологии» ниже, чем таких же соединений, выполненных по традиционной технологии с оловянно-свинцовой эвтектикой (ПОС-61).

Приведу здесь лишь некоторые основные из множества причин снижения надежности:

• - относительно более низкая пластичность бессвинцовых материалов паяных соединений,
• - относительно худшая смачиваемость и протекаемость расплавленных бессвинцовых припоев,
• - образование интерметаллидов, укрупнение зерен, образование дислокаций и трещин, как при остывании (затвердении), так и при эксплуатации при повышенных температурах,
• - образование оловянных усов (для бессвинцовых компонентов, содержащих большое количество олова), - образование легкоплавких (до 96⁰С) фракций для бессвинцовых компонентов, содержащих висмут,
• - повышенная подверженность коррозии и окислению бессвинцовых компонентов, содержащих цинк,
• - термические повреждения печатных плат и компонентов, в т.ч. связанных с проблемой MSL (Moisture Sensitive Level - уровень чувствительности к влаге),
• - масса организационно-технологических и совмещенных с ними физико-механических проблем приводят к общему повышению числа технологических дефектов ( в т.ч. скрытых) снижающих надежностные показатели изделий.

Кроме того бессвинцовая пайка имеет существенно более узкое технологическое окно, чем пайка оловянно-свинцовой эвтектикой.

Очевидно, по этой причине, в целях сохранения особо высокого уровня надежности для некоторых изделий , в «Директиве RoHS» введены исключения ( разрешено применение свинец содержащих материалов):

• - в продукции военного и аэро-космического назначения,
• - в отдельных видах приборов медицинского назначения (от которых зависит жизнь человека),
• - в гибких печатных плат или шлейфах,
• - в серверах и системах хранения информации,
• - в сетевом оборудовании для коммутирования, сигнализации и передачи данных ,
• - в крупном стационарном промышленном оборудовании.

Это вселяет надежду, что большая часть российских предприятий в ближайшее время будет продолжать жить по старым свинец содержащим технологиям. Однако поскольку многие российские предприятия, вынужденно или нет, интегрированы в мировые структуры в части закупки технологических материалов, микросхем и других комплектующих, то бессвинцовая проблематика их никак не может обойти стороной. В первую очередь необходимостью ответить на вопрос т.н. «обратной совместимости». Можно ли и как использовать печатных плат с бессвинцовыми покрытиями в традиционной технологии монтажа для изготовления ЭМ спецпримененния?

Из бессвинцовых покрытий печатных плат наиболее обратно совместимым является покрытие никель-иммерсионное золото и его модификации . Это покрытие освоено на многих российских предприятиях, обеспечивает хорошую паяемость в технологии поверхностного монтажа с свинец содержащими эвтектическими припойными пастами, прекрасную планаризацию паяемых поверхностей, длительное сохранение паяемости при хранении печатных плат на складских помещениях. При ручной пайке это покрытие требует специальных флюсов (ФКСП и ФКТС не годятся) и увеличения времени пайки, т.к. пайка идет фактически по никелю. (Об этом я упоминал в предыдущем разделе.)

Толщина золота 0,1 - 0,2 микрона практически мгновенно растворяется в припое , однако не образуя интерметаллидов, поскольку количество его для этого не достаточно. Смачивание же никеля припоем требует бо′льших энергетических затрат, чем и обуславливается, выше указанное изменение режимов. Таким образом покрытие никель-иммерсионное золото и его модификации обладает полной обратной совместимостью.

Конечно возможно использовать печатных плат, облуженные оловянно-свинцовой эвтектикой по технологии НALS ( горячее лужение с выравниванием). Сложнее дело обстоит с покрытием выводов компонентов, монтируемых на печатных плат., но этот вопрос будет рассмотрен подробно в разделах касающихся сборочно-монтажных работ ЭМ).