Авторы: Митч Хольтцер, Майкл Либратор, Cookson Electronics
Перевод: Виталий Щекин
Краткое описание
Использование галогенов в бессвинцовых паяльных пастах стало важной темой для обсуждения среди производителей паяльных паст, изготовителей комплексного оборудования и неправительственных организаций. В настоящее время отраслевыми группами уже определены или определяются промышленные стандарты, предъявляемые к содержанию галогенов. Обсуждается причина использования галогенсодержащих материалов, а также жизнеспособность безгалогенных паяльных паст.
Введение
За последние два года применение галогенсодержащих продуктов в электронных модулях стало очевидной и противоречивой темой. Директива Европейского союза 2002/95/ЕС, вступившая в силу 1 января 2006 года, также известная как RoHS, содержит правила ограничения содержания вредных веществ.
Типы галогенсодержащих материалов:
Список ограниченных к использованию материалов RoHS включает 2 типа ранее распространенных галогенсодержащих антипиренов:
- полибромдифенилы
- многохлористые дифенилы
Практически не было споров по исключению обозначенных выше соединений из состава паяльных материалов, таких как паяльная паста и флюс. Декларации ROHS включают подтверждение того, что эти галогенсодержащие добавки преднамеренно к паяльным материалам не добавляются.
Рис. 1. Полибромдифенил
На данном этапе тема становится запутанной и противоречивой. Сделаем один шаг назад и рассмотрим целесообразность добавления галогенов и галидов в паяльные материалы.
Паяльная паста состоит из двух основных компонентов: порошка припоя и густого флюса. Флюс выполняет множество функций, среди которых обеспечение эффективной трафаретной печати с хорошей повторяемостью. Для удержания компонентов на месте перед процессом оплавления припоя флюсу также требуется определённая степень липкости.
Флюс используется для защиты порошка припоя и медной поверхности от окисления и/или для снижения количества оксидов металлов в порошке и на паяемых поверхностях. Наконец, твёрдые остатки флюса в безотмывной пасте должны обладать высоким электрическим сопротивлением и хорошей гидрофобностью для защиты от неисправностей в электрической цепи.
Ионные галогениды против ковалентных галогенов
Ионные галогениды хорошо известны как эффективные активаторы паяльных флюсов. Однако ионные материалы в паяльной пасте гигроскопичные и коррозионные, что снижает срок хранения обычной паяльной пасты. В процессе нанесения паяльной пасты методом печати гигроскопические пасты могут отличаться нестабильными реологическими свойствами при повышенной влажности.
Влагопоглощение часто снижает вязкость паяльной пасты, что делает её непригодной для трафаретной печати. Твёрдые остатки после оплавления могут становиться электрически проводимыми и в дальнейшем подвергать коррозии металлические поверхности, особенно в присутствии влаги.
Одной из альтернатив к использованию ионных галогенидов будет добавление ковалентно связанных галогенсодержащих соединений. Вот где и начинается основное противоречие.
Директива RoHS требует подтверждения того, что формула флюса не содержит преднамеренно добавляемых в состав полибромдифенилов или многохлористых дифенилов. В настоящее время директив относительно других ковалентно связанных галогенных соединений не предусмотрено. Однако такие неправительственные организации как Гринпис предпринимают ряд усилий, направленных на защиту окружающей среды, раскрывая информацию о производителях, которые выпускают мобильные устройства и компьютеры, содержащие галогенные антипирены и ПВХ (поливинилхлорид).
Кроме широкого использования в базовых материалах печатных плат и в качестве добавок к пластиковым корпусам и компонентам галогенизированные соединения также используются в составе многих стандартных паяльных паст.
Галогены в печатных платах
Галогенсодержащие соединения стали применяться повсеместно в качестве огнестойких добавок в подложках печатных плат. По сведениям Института печатных схем (IPC) 80% производимых в мире многослойных печатных плат используют тетрабромбисфенол А или TBBPA. Использование тетрабромбисфенола в Германии и Швеции в ближайшее время окажется под запретом. Федеральная экологическая служба Германии (das Umweltbundesamt) и Служба химического контроля Швеции (Kemikalieinspektion) внесут на рассмотрение директиву о запрете использования тетрабромбисфенола.
Присутствие галогенов в паяльной пасте также имеет и ряд преимуществ. Так например, галогены продлевают срок жизни флюса в паяльной пасте, а также повышают тепловой диапазон, связанный с бессвинцовой пайкой оплавлением. Кроме того, они являются стабильным источником для ионных галогенидов при воздействии высоких температур.
Промышленные требования к содержанию галогенов
Некоторые промышленные группы приняли стандарт по использованию галогенов. На рассмотрении Института печатных схем находится стандарт за номером IPC J-STD-709 от 18 июня 2009 года, определяющий продукты с малым содержанием галогенов, согласно которому разрешается присутствие до 1000 ppm как брома, так и хлора, если источником является огнестойкая добавка, ПВХ или аналоги ПВХ. На галогены из других источников этот лимит отсутствует. Международная комиссия по электрохимии (IEC) установила стандарт, позволяющий использовать до 900 ppm брома и хлора по отдельности, но не более 1500 ppm в сумме (IEC 61249-2-21). Ассоциация печатных схем Японии использует в качестве стандарта 900 ppm брома и 900 ppm хлора.
Неионные поверхностно-активные вещества (галогены) относительно инертны до тех пор, пока не будет достигнута предварительно установленная температура. При повышенных температурах или в присутствии сильных оснований они могут выделять Cl- или Br+ в качестве ионных соединений, действуя как галоидные активаторы в процессе оплавления при поверхностном монтаже.
Участие неправительственных организаций
Защита потребительского бренда может являться самой значительной движущей силой к снижению содержания или полному неиспользованию галогенов в паяльной пасте. В июле организацией Гринпис опубликована 12-ая версия руководства по производству экологически чистой электроники. Компании, принявшие на себя обязательство снизить или убрать из состава своих продуктов ПВХ и галогены, были отмечены повышением своего «зелёного» рейтинга. Компании, которые ранее обсуждали свои намерения на промышленных конференциях относительно перехода на безгалогенное производство, однако, так и не реализовали их и получили от Гринписа «понижение» в рейтинге.
Трудно определить, насколько сильное влияние оказывает данный рейтинг на принятие решения потребителем. Компании вроде Apple, Samsung и Nokia продолжают оставаться лидерами по продажам в сегменте мобильных устройств. Совпадением, вероятно, является подъём этих компаний в рейтинге Гринписа. Наиболее вероятным сценарием развития событий станет такой, при котором превосходный дизайн, производительность, цена и способность избежать совместного использования вызывающих споры материалов будет ключевым аспектом роста доли компаний на рынке.
Исключение галогенов из состава продукта
Подобным образом удаление из состава паяльной пасты любых галогенсодержащих материалов кажется наилучшим решением на сегодняшний день. Сегодня в наличии имеются более современные химические составы, избавляющие от необходимости использования галогенов в паяльной пасте. Многие компании применяют промышленные нормы как стандарты по ограничению содержания галогенов. Тем не менее, возникает вопрос: почему допустимо содержание 900 или 1000 ppm, если на рынке электроники с 2003 года в составе материалов содержится нулевой показатель уровня преднамеренно добавленных галогенов.
Следующий вопрос касается способа определения содержания галогенов. Метод EN-14582-B стал одним из промышленных стандартов для измерения содержания галогенов в паяльной пасте. По этому методу паста окисляется полностью, обращая каждый ковалентный галоген в его ионную форму. Далее после окисления следует замер количества галоидных соединений методом ионно-хроматографического анализа. Спорный момент такого метода заключается в том, что для стадий до и после окисления/горения по-прежнему не определено содержание галогенов. Для полной точности можно предложить использовать ионный хроматограф на предварительно окисленном образце, но пока такая процедура не является стандартной.