WYBRANE ASPEKTY WDROŻENIA BEZOŁOWIOWEJ TECHNOLOGII MONTAŻU

Transkrypt

1 II Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna EKOLOGIA W ELEKTRONICE Przemysłowy Instytut Elektroniki Warszawa, WYBRANE ASPEKTY WDROŻENIA BEZOŁOWIOWEJ TECHNOLOGII MONTAŻU Krystyna BUKAT, Józef GROMEK Instytut Tele i Radiotechniczny ul. Ratuszowa 11, Warszawa , krysbuk@itr.org.pl, , jgromek@itr.org.pl W artykule przedstawiono w bardzo skróconej formie aktualny stan prac dotyczących wdrażania j technologii montażu na świecie i w kraju. W wyniku przeprowadzonych ankiet stwierdzono, że Europa jest gotowa do zmiany technologii od 1 stycznia 2006 r. Przedstawiono aktualnie dostępne i zalecane materiały, techniczne problemy wynikające z właściwości tych materiałów. Przedstawiono Centrum CENELIN, istniejącego przy ITR zajmujące się wdrożeniem j technologii montażu w kraju. 1. WPROWADZENIE Parlament Europejski przyjął w głosowaniu 1 stycznia 2006 r. jako ostateczny termin wprowadzenia dyrektywy RoHS, zakazującej między innymi stosowanie ołowiu w elektronice. W chwili obecnej nie tylko w Europie, ale i na całym świecie trwają intensywne prace przygotowujące sektor elektroniki do przestawienia się na nową technologię. Motorem tak intensywnego działania stała się nie tylko dyrektywa RoHS, ale również równolegle z nią wprowadzana dyrektywa WEEE o odpadach zużytego sprzętu elektronicznego, która zobowiązuje producentów i importerów sprzętu do odbioru i utylizacji zużytych wyrobów. Przegląd aktualnego stanu przygotowań do wdrożenia j technologii montażu na świecie oraz w kraju jest przedmiotem niniejszego artykułu. 114

2 2. WYNIKI ANKIET NA TEMAT TECHNOLOGII BEZOŁOWIOWEJ W ciągu ostatnich trzech lat przeprowadzono na świecie szereg ankiet dotyczących montażu go: w Europie, Japonii, również w Polsce. W Europie ankietę przeprowadzano trzykrotnie (1999, 2001 oraz 2002 r.), przy czym do tej pory opublikowano wyniki dwóch ankiet [3]. Również w kraju, na zlecenie Ministerstwa Gospodarki przeprowadzono w ubiegłym roku ankietę na temat j technologii montażu [1]. Pierwsza ankieta miała na celu ogólne zorientowanie się w świadomości i potrzebach producentów dotyczących montażu go. Porównując wyniki ankiety europejskiej z polską należy stwierdzić, że odpowiedzi były bardzo podobne. W Europie odpowiedzi udzieliło 10%, w Polsce 20% ankietowanych. Największy udział wśród ankietowanych polskich firm z branży elektronicznej miały zakłady montażowe (65 %), dalej: dostawcy urządzeń (30%), dostawcy podzespołów (25 %) i producenci płytek drukowanych (15%). Zarówno w Europie, jak i w kraju respondenci reprezentowali firmy zróżnicowane pod względem wielkości, przy czym 55 % w Europie, a 65% w kraju wszystkich ankietowanych stanowiły małe i średnie przedsiębiorstwa (MŚP) zatrudniające do 250 pracowników. Pierwsze ankiety dowiodły, że świadomość potrzeb zmian w technologii montażu była duża. Większe zakłady miały jednak większą świadomość konieczności zmian niż małe i średnie przedsiębiorstwa, jak to pokazano na rys. 1. Ponadto zmieniło się nastawienie do dyrektyw. Obecnie 70% respondentów wypowiada się za wprowadzeniem dyrektyw RoHS i WEEE, a tylko 13% jest przeciw [3]. 100 Udział ankietowanych [%] P1 - Ogólna ś wiadomość P2 - W pływ na proces montażu P5 - Bieżące działania P6 - Znajomość aktów prawnych Rys. 1. Ogólny poziom świadomości i działań związanych z koniecznością wprowadzenia lutowania go. O ile świadomość zakupu lub modernizacji urządzeń oraz dostosowania nowych materiałów jest na porównywalnym, wysokim poziomie (70 75 %), to już świadomość zmiany procesu montażu spada do 55 %, zaś świadomość wpływu zmiany technologii na jakość wyrobów wynosi tylko 30 % (rys. 2). 115

3 80 Udział ankietowanych [%] Zakup lub modernizacja urządzeń Dostosowanie innych materialów Zmiana procesu montażu Niezawodność wyrobów Rys. 2. Obszary, na które wpływa wprowadzenie technologii j. Podstawowym działaniem wśród respondentów jest zbieranie informacji na temat technologii j.(55% ankietowanych), około 40% respondentów prowadzi już wstępne próby związane z lutowaniem bezołowiowym, 15 % ankietowanych prowadzi pilotażowe procesy, a jeden przedstawiciel, z grupy większych firm, wytwarza gotowy produkt na rynek (rys.3). Udział ankietowanych [%] >250 osób osób Do 50 osób 0 Zbieranie informacji Prowadzenie wstępnych prób Prowadzenie procesu pilotażowego Wytwarzanie produktu na rynek Rys 3. Bieżące działania respondentów w odniesieniu do technologii j uwzględniające jednocześnie wielkość zakładów. 116

4 Druga ankieta europejska została przeprowadzona w szerszym zakresie. Z pytaniami zwrócono się do 48 organizacji z krajów europejskich, które działają na rynku europejskim, ale także przy współpracy również działają na rynku światowym (41% respondentów). W wyniku przeprowadzenia tej ankiety powstał plan dochodzenia do j technologii montażu w Europie (rys.4), z którego wynika, że zakłady europejskie zdążą z przygotowaniami przed ostateczną datą wprowadzenia europejskich dyrektyw, tj. przed 1 stycznia 2006 r. Aktualnie za wprowadzeniem dyrektyw RoHS i WEEE jest 70% ankietowanych, przeciw tylko 13%. Średnio w Europie Wszystkie materiały dostępne Pierwsze komponenty Wszystkie komponenty Pierwsze produkty Połowa produkcji bezołowiowa Wszystkie nowe produkty Wszystkie produkty Rys. 4. Europejski plan dochodzenia do technologii j [3] Przeprowadzona bardzo szczegółowa analiza ankiet europejskiej i japońskiej wykazała, że japońskie zakłady elektroniczne, japoński rynek dostawców urządzeń i materiałów, jak również odbiorcy lepiej są przygotowani do rewolucyjnej zmiany technologii niż Europa, która jest inicjatorem tych zmian. Ocenia się, że Japonia wyprzedza Europę około dwóch lat z wdrożeniem j technologii montażu. 3. AKTUALNY PRZEGLĄD ZALECANYCH MATERIAŁÓW BEZOŁOWIOWYCH W tabeli 1 przedstawiono aktualny przegląd bezołowiowych materiałów lutowniczych zalecanych do stosowania przez znaczące światowe organizacje lub projekty [2]. Nadal sprowadza się to do stosowania kilku a nie jednego stopu lutowniczego, jakim jest do tej pory eutektyczny stop SnPb. W związku z powyższym rozważa się konieczność wprowadzenia na sprzęcie informacji o zastosowanym do montażu lutowiu, aby można było prawidłowo przeprowadzić naprawy. Projekt/ Organizacja ZVEI Tab. 1. Przegląd zalecanych materiałów bezołowiowych Proces lutowania Zalecany stop / Temperatura topnienia [ C] na fali lutowia SnCu0,7 /227 rozpływowe SnAg3,9Cu0,6 /217 ZVEI niemieckie zrzeszenie producentów elektroniki 117

5 IDEALS na fali lutowia SnCu0,7 /227 SnCuAgSb rozpływowe SnAgCu /227 lutownicą SnAg3,5 /221 NEMI na fali lutowia SnCu0,7 /227 SnAg3 /221 rozpływowe SnAg3,9Cu0,6 /217 lutownicą SnAg3,5 /221 NCMS SnBi58 /139 SnAg3,5 /221 SnAg3,5Bi4,8 Soldertec na fali lutowia, SnAg(3,4-4,1)Cu(0,45-0,9) rozpływowe, lutownicą JEIDA na fali lutowia SnAg3Cu0,5 /217 rozpływowe: SnAg3Cu0,5 /217 średnio- i wysokotemperaturow e rozpływowe SnBi57Ag1 /139 niskotemperaturowe IDEALS program europejski NEMI- organizacja amerykańskich producentów elektroniki NCMS- amerykańskie centrum badawcze SOLDERTECangielskie centrum badawcze JEIDA- japońskie stowarzyszenie do spraw rozwoju przemysłu elektronicznego 4. PROBLEMY ZWIĄZANE Z TECHNOLOGIĄ BEZOŁOWIOWĄ Największymi problemami występującymi w technologii j są: Wyższe temperatury lutowania związane z wyższymi temperaturami topnienia stopów bezołowiowych. W tym zakresie nie ustają prace nad dodatkami do stopów obniżających temperaturę lutowania, mając na uwadze ograniczoną odporność temperaturową podzespołów. Gorsza zwilżalność podłoży przez stopy wynikająca z wyższego napięcia powierzchniowego tych stopów. Dużą rolę w obniżaniu napięcia międzyfazowego na granicy lut/podłoże odgrywają topniki. Również w tym zakresie prowadzone są prace, szczególnie w zakresie tzw. topników VOC-free, czyli nie zawierających lotnych substancji organicznych. Jest to związane z dyrektywą ograniczającą wprowadzanie do atmosfery tych związków. Nie do końca rozstrzygnięto, czy technologia bezołowiowa oznacza całkowity brak ołowiu w urządzeniach i sprzęcie elektronicznym. Nadal rozważa się dopuszczalny poziom zanieczyszczenia ołowiem urządzeń i sprzętu elektronicznego wykonanego w j technologii montażu. Ta sprawa podlega aktualnie ankietowaniu. Brak ostatecznego wyboru bezołowiowych pokryć płytek drukowanych. W tym zakresie stale trwają prace nad pokryciami typu organicznego (OSP), srebra chemicznego, czy cyny chemicznej, z czym wiąże się kolejny problem techniczny. Tworzenie tzw. wiskersów, czyli krystalitów cyny na powierzchni podłoży pokrytych stopami cynowymi. 118

6 Tworzenie wiskersów może prowadzić do zwarć i wpływać na niezawodność, dlatego w tym zakresie prowadzone są intensywne prace dotyczące zarówno metod wykrywania niepożądanych zjawisk, jak i metod unikania tworzenia się wiskersów. Problem niezawodności urządzeń i sprzętu elektronicznego wykonanego w j technologii montażu. Aktualne doniesienia wskazują wprawdzie na porównywalną niezawodność sprzętu elektronicznego wykonanego w tradycyjnej i j technologii montażu, jednak sprawa ta jest stale otwarta i podlega skrupulatnym badaniom. Problem kosztów wdrożenia j technologii montażu. Jest to również zagadnienie otwarte, wymagające wieloaspektowej analizy z punktu widzenia toksyczności stosowanych materiałów, kosztu ich wytworzenia, zużycia energii w procesach wytwarzania i przetwarzania, np. montażu tych materiałów, zużycia wody np. przy wytwarzaniu alternatywnych pokryć na płytkach drukowanych, itp. W chwili obecnej jednak aż 64% ankietowanych w Europie spodziewa się korzyści materialnych z wprowadzenia j technologii montażu [3]. 5. UWARUNKOWANIA I PROPOZYCJE ROZWIĄZAŃ Wdrożeniem j technologii montażu zajmują się na świecie duże konsorcja producentów elektroniki oraz konsorcja badawcze tworzące tzw. centra. W USA np. są to NEMI (National Electronics Manufacturing Initiative, Inc.- konsorcjum producentów) oraz NCMS (Nati0nal Centre for Manufacturing Sciences - centrum badawcze), w Niemczech jest to ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.v. - zrzeszenie producentów urządzeń elektrotechnicznych i elektronicznych) i BeCAP (Berlin Center of Advanced Packaging -centrum badawcze umiejscowione w Instytucie Fraunhofera), w Anglii utworzono badawcze centrum SOLDERTEC (Lead-free Soldering Technology Centre). W ubiegłym roku utworzone zostało w ITR krajowe centrum CENELIN (Centre of Competence for Advanced Technology of Electronic Interconnections), które w powiązaniu z innymi centrami europejskimi jest gotowe do prowadzenia wdrożeniowych dotyczących technologii j. Centrum to ściśle współpracuje z Krajową Izbą Gospodarczą Elektroniki i Telekomunikacji (KIGEIT). Środki na działanie w zakresie wdrażania technologii j Centrum CENELIN pozyskuje z Unii Europejskiej. Aktualnie biegnie projekt PRINT (Printed Circuits Boards With High Solderability Tin Coating For Lead Free Soldering), dotyczący wdrożenia w polskich małych i średnich przedsiębiorstwach go pokrycia na obwody drukowane przeznaczone do lutowania go. Jest to projekt typu CRAFT prowadzony we współpracy z partnerami niemieckimi w ramach 5. Programu Ramowego. Drugi projekt RedRose (Removal Of Hazardous Substances in Electronics: Processes and Techniques For SMEs), typu Collective Research, zgromadził kilkunastu partnerów z krajów europejskich i krajów kandydujących. Dotyczy on uruchomienia linii pilotażowej do montażu go i prowadzenia szkoleń dla małych i średnich zakładów montażowych w zakresie technologii j. Ten projekt jest jeszcze w fazie ostatecznego przyznawania środków unijnych. KIGEIT zrzeszający zakłady elektroniczne również widzi potrzebę pomocy zakładom elektronicznym przy wdrażaniu technologii j. W ubiegłym roku przy współpracy z ITR przeprowadził akcję ankietowania zakładów, wchodzi do 119

7 projektu RedRoSe, prowadzi szkolenia na temat projektów CRAFT dla małych i średnich przedsiębiorstw. Poważnym ograniczeniem w tej działalności w kraju jest brak wystarczających środków finansowych. Na poniesienie kosztów przejścia do technologii j nie stać wielu małych i średnich producentów elektroniki. Pozyskiwanie środków z Unii Europejskiej jest żmudne i długotrwałe. ITR, a przede wszystkim CENELIN, posiadając pewne doświadczenie w tym zakresie może służyć pomocą. 6. WNIOSKI 1. Bezołowiowa technologia montażu wejdzie w życie w 2006 roku wraz z ostatecznym zatwierdzeniem Dyrektyw RoHS i WEEE. 2. Wyniki ankiet wskazują, że najbardziej przygotowani są do zmiany technologii Japończycy. Za nimi, z około dwuletnim opóźnieniem postępują kraje europejskie.. Polska jest znacznie słabiej przygotowana od krajów europejskich. 3. Szereg problemów technicznych związanych z bezołowiową technologią montażu wymaga dopracowania przed wdrożeniem. 4. Sprawami wdrożenia j technologii montażu zajmują się utworzone na świecie centra. W kraju działa centrum CENELIN umiejscowione w ITR. LITERATURA 1. Bukat K., Sitek J., Analiza dyrektywy Unii Europejskiej dotyczącej eliminacji z urządzeń elektronicznych i elektrotechnicznych niebezpiecznych metali, substancji i preparatów w celu wskazania i dostosowania krajowej infrastruktury technicznej i procesów technologicznych oraz polskiego prawa dla eliminacji ołowiu z procesów lutowania, Opracowanie wykonane na zlecenie Ministerstwa Gospodarki, listopad Mueller J., Griese H., Reichl H., Zuber K.H., Lead Free Interconnection Technology and the Environment, Proceedings of MIDEM th International Conference on Microelectronics, Devices and Materials, Lipica, Slovenia, 9-11 October 2002, pp Nimmo K., European legislation, lead-free activities, and technology roadmap, Proceedings of Seminar Time to go lead-free, Moednal, Sveden, 13 June 2002, pp.1-19 SELECTED ASPECTS OF LEAD-FREE ASSEMBLY TECHNOLOGY IMPLEMENTATION Very short currently information about implementation of lead-free assembly technology on the world as well as in our country had been presented in this article. Basing on the inquiry and questionnaires evaluation it was established that Europe is ready.to technology changing. from the 1 st January Currently available and recommended lead-free materials, technical problems resulted from their properties were presented too. Troubles connected with lead-free assembly technology implementation in our country and the solutions proposed by CENELIN (Centre of Competence for Advanced Technology of Electronic Interconnections) have been described. 120