AZ RoHS ÉS KÖVETKEZMÉNYEI

Az elektronikai technológia újdonságai BME-ETT 2009 tavasz

2009.03.24.

AZ RoHS ÉS KÖVETKEZMÉNYEI

Elıadja: Horváth Barbara

BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

Az RoHS-direktíva elıírásai • • • • •

Veszélyes anyagok elektromos és elektronikus berendezésekben való alkalmazásának korlátozásáról 2006. július 1. (EU tagállamaiban) Pb, Hg, Cd, Cr/VI/, PBB, PBDE Max. 0,1 tömegszázalék (Cd: 0,01 %) Importáláskor az Európán kívüli elektronikai és elektromos berendezéseket gyártóknak is be kell tartaniuk ezeket a szabályokat Érinti: • Háztartási nagygépek • Háztartási kisgépek • IT és távközlési berendezések • Szórakoztató elektronikai cikkek • Világítótestek • Elektromos és elektronikus szerszámok (kiv. nagymérető ipari) • Játékok, szabadidıs, sportfelszerelések • Adagoló automaták

Kivétel: • Már meglévı készülékek és berendezésekhez gyártott alkatrészek • Termékek, melyek egy készülék újbóli forgalomba hozatalához szükségesek • Orvosi berendezések (errıl még viták folynak) • Fegyverek, muníció, harci anyagok

2/35

Horváth Barbara - RoHS és következményei

1


2009.03.24.

RoHS által tiltott anyagok

3/35

Az RoHS által tiltott anyagok felhasználásai Ólom (Pb): -forraszanyag -festékanyag (vörös)

Higany (Hg): -mérıeszközök -higanygızlámpák -amalgám

Kadmium (Cd) -stabilizátor -felületvédelem -festékanyag (sárga)

Hat vegyértékő króm (Cr /VI/) -alkatrészek kimenetének passziválására -korrózióálló festékekben

Polibrómozott bifenil (PBB), Polibrómozott difenil-éter (PBDE) -égéskésleltetı 4/35


2


2009.03.24.

Az RoHS által tiltott anyagok egészségügyi veszélyei Ólom (Pb): -gátolja a vér vörösvérsejtjeinek felépülését -gyermekeknél szellemi visszamaradottság -rákkeltı hatás -egyéb szellemi és testi tünetek

Higany (Hg): -gátolja a fitoplanktonban végbemenı fotoszintézist -heveny és idült mérgezés -ideggyulladás, emlékezetkihagyás -rák különféle változatai

Kadmium (Cd) -kumulatív méreg -vesében halmozódik fel -vese és szívelégtelenség -rendkívüli csonttörékenység -rákkeltı hatás -itai itai betegség Japánban

Hat vegyértékő króm (Cr /VI/) -erısen rákkeltı hatású -asztmatikus allergia -genetikai módosító hatással bír -belélegzése a legveszélyesebb

Polibrómozott bifenil (PBB), Polibrómozott difenil-éter (PBDE) -felhalmozódnak az élı szervezetben -máj és idegrendszer fejlıdési zavarai -hatással vannak a pajzsmirigy hormonjaira -rákkeltı 5/35

Ólommentes forrasztás RoHS (számunkra) legfontosabb eredménye: Ólommentes forrasztás • Olvadáspontja magasabb (magasabb megömlesztési hımérséklet) • Felületi feszültsége nagyobb (rosszabb a terülés, ill. a nedvesítési sebesség is kisebb a forrasztási hımérsékleten, így hosszabb ideig tart a forrasztás) • Nagyobb a viszkozitás (megnı a gázzárványok elıfordulásának esélye) • Drágább (magas óntartalom miatt) • Sőrősége kisebb (kb. 7,5 kg/dm3, szemben az eddigi 8,4 kg/dm3-rel) -> jobb a fajlagos anyagfelhasználás. 6/35


3


2009.03.24.

Ólommentes forrasztás ellenérvei •

•

•

Negatív behatás a termék minıségében és megbízhatóságában, valamint a teljesítmény magas költségei miatt fıleg kis vállalatoknál anyagiak miatt a szigorú feltételek csıdöt okozhatnak. Az ólommentes forrasztás nagyon drága újjászervezést és beállítást igényel a gépsorokban. Az ólommentes forrasztás miatti magasabb forrasztáspont miatt az alkatrészekben magasabb arányú a meghibásodás a nagyobb forrasztási hımérséklet miatt Nem ismert a hosszútávú hatása az ólommentes forraszoknak, kérdéses, hogy évek multán romlik-e a megbízhatósága az elektronikai alkatrészeknek

7/35

Ólommentes forrasztás ellenérvei •

•

•

Ón pestis: ón allotrópiájának következménye; hőtés során kb. 13°C alatt a gyémántrácsú ón tetragonális rácsúvá alakul (nagyon lassú folyamat), és az átalakulást kísérı fajlagos térfogat okozta feszültségek hatására a tárgy szétporlik Az ólmot helyettesítı arany illetve ezüst bányászásakor hatalmas mennyiségő higany-szennyezıdés szabadul fel. Életciklus analízisek mutatják, hogy annak ellenére, hogy az ólom mérgezı hatása megszőnik, az ólommentes forrasztás is igen környezetszennyezı hatású.

8/35


4


2009.03.24.

Az ólommentes forrasztás környezetre gyakorolt hatása Életciklus szakaszok: INPUT

ÉLETCIKLUS SZAKASZOK

OUTPUT

Nyersanyag kinyerés (elıkészítés) Erıforrás

Anyag feldolgozás (elıkészítés)

Alapanyag

Termékgyártás

Energia

Hulladék Termék

Termékhasználat (alkalmazás)

Emisszió

Hulladéklerakás (end-of-life)

Tanulmányban vizsgált forraszanyagok: SnPb

63% Sn / 37% Pb

SnCu

99,2% Sn / 0,8% Cu

SAC

95,5% Sn / 3,9% Ag / 0,6% Cu

SABC

96% Sn/ 2,5% Ag /1% Bi /0.5% Cu 9/35

Az ólommentes forrasztás környezetre gyakorolt hatása 16 kategória: 1-3. Különbözı forrás szükségletek 1. Nem megújuló forrás használata 2. Megújuló forrás használata 3. Energiahasználat

4. Szükséges hulladéklerakási terület 5-8. Levegıbe kibocsátott gázok hatásai 5. 6. 7. 8.

Globális felmelegedés Sztratoszferikus ózoncsökkenés Fotókémiai szmog Savas esı képzıdés

9. Levegıbe kibocsátott szilárd szennyezık

10-11. Vízbe kibocsátott szennyezık 10.Víz eutrofizálódás 11.Víz minıség

12-15. Egészségügyi hatások 12.Foglalkoztatottak egészségromlása (nem rákos) 13.Foglalkoztatottak egészségromlása (rákos) 14.Közegészség károsítás (nem rákos) 15.Közegészség károsítás (rákos)

16. Vizek ökoszennyezése

10/35


5


2009.03.24.

1-3. Különbözı forrás szükségletek 1. Nem megújuló forrás használata: tipikusan abiotikus folyamatok útján létrejött anyagok, mint az ásványok vagy fosszilis energiaforrások.

2. Megújuló forrás használata: olyan természetes források, amiket újból lehet termelni, mint a faáruk, állati és növényi alapanyagok, víz.

3. Energiahasználat : Az összes elektromos és üzemanyag alapú használat szükségességét

4. Szükséges hulladéklerakási terület: A kialakult szilárd, veszélyes és rádióaktív hulladék mennyiségén alapul [m3]. A szilárd hulladékot a városi szemét és építési hulladékok közé teszik egy kijelölt hulladéklerakóhelyre (ami egy természeti erıforrásnak tekinthetı). A veszélyes hulladékot egy kijelölt, speciális hulladéklerakó területre viszik. 11/35

5-8. Levegıbe kibocsátott gázok hatásai • 5. Globális felmelegedés −Elmúlt 150 évben 0,6-0,8°C-kal n ıtt a Föld felszínközeli hımérséklete − Következményei: globális éghajlatváltozás, csapadékeloszlás, vegetációs zónák eltolódása, valamint jégolvadás miatt a tengerszint emelkedés. − A széndioxid (CO2) és a többi ártalmas gázok felgyülemlése üvegházhatást okoz. − Ennek mértéke az anyag GWP faktora (Global Warming Potential): egy adott gáz globális felmelegedést okozó hatása a széndioxid ugyanilyen hatásához viszonyítva, egy 100 éves periódusra vetítve (a széndioxid GWP értéke 1).

12/35


6


2009.03.24.

5-8. Levegıbe kibocsátott gázok hatásai • 6. Sztratoszferikus ózoncsökkenés −Az utóbbi években a földi élet számára veszélyes ultraibolya sugárzás nagy részét kiszőrı sztratoszferikus ózonréteg globálisan is vékonyodik. −Az ózon csaknem teljesen elnyeli az érkezı ultraviola sugárzást, aminek földfelszíni erısödése károsíthatja az emberek és állatok egészségét, a földi és vízi ökoszisztémákat, a biokémiai körforgást és az anyagokat. Olyan megbetegedéseket okoz, mint a bırrák és a szürke hályog. −Vegyszerek, mint például a klór-fluor-karbonok (CFC-k – CF2Cl2, CFCl3) az atmoszférába kerülve ózont károsító vegyi reakciókba lépnek: Cl· + O3 → ClO· + O2 ClO· + O3 → Cl· + 2 O2 −Ennek mértéke az anyag ODP faktora (Ozone Depletion Potential ): egy adott gáz sztratoszferikus ózoncsökkenést okozó hatása a CFC-11 ugyanilyen hatásához viszonyítva (a CFC-11 ODP értéke 1). 13/35

5-8. Levegıbe kibocsátott gázok hatásai • 7. Fotókémiai szmog − Kialakulásának feltételei: − Erıs napsugárzás (UV-sugárzás) − Kibocsátott szennyezések (Nox, szénhidrogének, CO) − Gyenge légmozgás − Fıleg fosszilis tüzelıanyagok emissziójából keletkezik − A napfény reakcióba lép olyan kibocsátott vegyszerekkel, mint a hidrokarbon és nitrogén oxid. − Nagyobb koncentrátumban ez egészségkárosodást okoz, növénymérgezést, illetve bizonyos anyagokat károsít. − Egy anyag a POCP faktora (Photochemical Oxidant Creation ): egy adott vegyszer fotokémiai szmogot okozó hatása az etilén ugyanilyen hatásához viszonyítva. 14/35


7


2009.03.24.

5-8. Levegıbe kibocsátott gázok hatásai • 8. Savas esı képzıdés −Alapvetıen megváltozott pH-értékő csapadék. −Ez a talajba érve kivonja a tápanyagokat (Ca, Mg, K), ill. kioldja a nehézfémeket, belemosva a talajvízbe azt növények állatok mi. −Az elsavasodás értékek az olyan vegyszerek kibocsátásának mennyiségét mérik, ami hozzájárulnak ahhoz, hogy elpárologva lecsapódjon, majd savas esıt képezzen. −Ezért elsısorban a kéndioxid (SO2) és a nitrogénoxidok (NOx) okolhatók. −Egy anyag AP (Acidification Potentials) faktora megadja az adott anyag adott mennyiségébıl képzıdı hidrogén-ion számot, ami savas esıt okoz, ami ekvivalens az adott anyag a kéndioxid (SO2) ezen értékéhez viszonyítva. 15/35

9. Levegıbe kibocsátott szilárd szennyezık − Levegıbe kibocsátott és felgyülemlı szilárd szennyezıkre vonatkozik. − Ezek fıként az égéstermékekbıl (pernye, korom) valamint a talajfelszínrıl, cementiparból, kohászatból és egyéb más ipari porból származnak. − A 0,25–10 µm mérettartomány az, ami leginkább károsítja a légzıszerveket, − 10 µm feletti részecskéket a felsı légutak visszatartják, és a − 0,25 µm alattiakat pedig kilélegezzük. − Viszont a 0,25 -10 µm közötti tartomány (PM10) a tüdıben reked, és szilikózist okozhat, aminek hatására a tüdı légzı felülete lecsökken és az erek egy része elzáródik.

• • • • •

Elısegítı körülmények: szélcsendes idıjárás magas légnyomás magas relatív páratartalom -3 – +5 °C közötti h ımérséklet légszennyezés: SO2, por, korom 16/35


8


2009.03.24.

10-11. Vízbe kibocsátott szennyezık • 10. Víz eutrofizálódás − Eutrofizáció: növényi tápanyagok hatására egy adott víztestben a növények elszaporodnak. Fıként a nitrogén és a foszfor szennyezés hatására alakul ki. − A partmenti vizek tápanyagokkal való túlterhelése túlzott fitoplankton növekedést eredményez (virágzás). - Hatása: Egész vízfelszínt elborítja, és meggátolja, hogy a fény az alsóbb vizeket is elérje. Ez megállítja a mélyebb rétegekben a növények növekedését, és csökkenti a biológiai diverzitást.

17/35

10-11. Vízbe kibocsátott szennyezık • 11. Víz minıség A természetes vizekbe eresztett szennyvíz oxigénhiányt és zavarosságot okoz a vízben. Két érték van, ami meghatározza ennek a kategóriának az értékét: BOD (Biochemical Oxygen Demand) ami megadja, hogy mennyi oxigén szükséges ahhoz, hogy biológiailag szétbomlassza a szerves anyagokat a vízben; illetve a TSS (Total Suspended Solids), ami hulladékanyagok összmennyiségét takarja.

18/35


9


2009.03.24.

12-16. Egészségügyi hatások • Egészségügyi szempontok − Az emberi egészségre a krónikus, hosszú idın át ismétlıdı behatás ártalmas. Ezek a hatások lehetnek rákkeltık, mérgezıek, okozhatnak fejlıdési rendellenességeket, idegrendszeri betegségeket, immunbetegségeket, viselkedési problémákat és sugárzási betegségeket. − Az egészségügyi hatásokat egyik csoportosítási módja: rákkeltı és nem-rákkeltı (azaz mérgezı). Ezeket mind a foglalkoztatottaknál, mind a közegészség szempontjából vizsgálni kell. − A közegészség szempontjából az életciklus folyamatok során fıleg az output-okat kell vizsgálni, mivel a kibocsátott szennyezıdések a lakosságot érintik. − A foglalkoztatottaknál fıleg az input-okat kell figyelni, mivel ık találkoznak a feldolgozott anyagokból származó szennyezıkkel.

19/35

12-16. Egészségügyi hatások • 12. Foglalkoztatottak egészségromlása (nem rákos): − A kategória értékét a technológiai folyamatok során felhasznált anyagok mérgezési hatása adja meg. − A mérgek fıleg orális vagy inhalálás útján kerülnek a szervezetbe.

• 13. Foglalkoztatottak egészségromlása (rákos): − A kategória értékét a technológiai folyamatok során felhasznált anyagok rákkeltı hatása adja meg. − A mérgek fıleg orális vagy inhalálás útján kerülnek a szervezetbe. − A pontértékeket a rákos betegségek kialakulásának hazárd faktorával (HV) határozzuk meg. Néhány anyagnak kutatások alapján meghatározták a HV faktorát, az ebbıl a szempontból ismeretlen hatású anyagokat a Nemzetközi Rákkutatási Ügynökség (IARC) WOE (Weight of Evidence) kategóriákba csoportosított

20/35


10


2009.03.24.

12-16. Egészségügyi hatások • 14. Közegészség károsítás (nem rákos) : − Az ebben a kategóriában szereplı értékek azoknak a lakosoknak az egészség károsodását mutatják, akik közel élnek olyan létesítményekhez, ahol folyamatosan mérgezı anyagokat bocsátanak ki. A pontérték nagysága a mérgezı vegyszer fajtájától és mennyiségétıl függ, amit a levegıbe, vízbe és a talajba bocsátanak.

• 15. Közegészség károsítás (rákos) : − Az ebben a kategóriában szereplı értékek azoknak a lakosoknak az egészség károsodását mutatják, akik közel élnek olyan létesítményekhez, ahol folyamatosan rákkeltı anyagokat bocsátanak ki. A pontérték nagysága a rákkeltı vegyszer fajtájától és mennyiségétıl függ, amit a levegıbe, vízbe és a talajba bocsátanak.

16. Vizek ökoszennyezése: − A nem emberi élı organizmusokat érı kémiai behatásokra utalnak. A szennyezést leginkább olyan organizmusokon lehet lemérni, amik a tengerben élnek, így halakat vettek mintának. 21/35

Egy hatás pontértékének számítása n Globális felmelegedés:

IS GW = ∑ ( EFGWP ⋅ Amt GG ) i i =1

ISGW - az adott i gáz pontértéke globális felmelegedés szempontjából[kg/1000cm3] EFGWP - az adott i gáz GWP faktora AmtGG - a kibocsátott globális felmelegedést okozó i gáz mennyisége [kg/1000cm3]

22/35


11


2009.03.24.

Az ólommentes forrasztás környezetre gyakorolt hatása

Újraömlesztéses forrasztás

23/35

Az ólommentes forrasztás környezetre gyakorolt hatása

Hullámforrasztás

24/35


12


2009.03.24.

RoHS analízis XRF készülékkel • XRF (X-Ray Fluorescense) • Roncsolásmentes vizsgálat. • Röntgensugárzást bocsát a vizsgálandó mintára, amely így az anyagra jellemzı karakterisztikus röntgensugárzást bocsátja vissza.

• Melyik tiltott anyag mérhetı vele? • Egyértelmően vizsgálható: ólom, kadmium és a higany. • Króm és a bróm esetén csak magát az anyagot mutatja ki, a szerkezetét nem! • Ha a bróm ill. króm tömegszázaléka < 0,1%, akkor egészen biztos, hogy a megengedett szintnél kevesebb található a vizsgált mintában. • Ha a bróm ill. króm tömegszázaléka > 0,1 %, akkor az eredményünk az RoHS kompatibilitás szempontjából kétséges. • Ilyenkor jó megoldás a GC-MS (Gas Chromatography – Mass Spectrometry) mérés, amivel konkrétan megvizsgálhatjuk az adott anyag molekuláris szerkezetét. Ez viszont roncsolásos vizsgálat.

25/35

RoHS analízis XRF készülékkel Ólommentes forrasztás

26/35


13


2009.03.24.

RoHS analízis XRF készülékkel Ólmos forrasztás

27/35

Bevonatok Nyákokon

Az Sn/Pb bevonatok lecserélıdtek ólommentesre: • Ólommentes HASL (Hot Air Solder Leveling) • Immerziós Sn • Immerziós Ag • OSP (Organic Solderability Preservative) • ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold)

28/35


14


2009.03.24.

Bevonatok Nyákokon • Réz oxidációja elleni védelem • A bevonat megırzi a felület jó forraszthatóságát

forrasz

bevonat ENIG

Imm. Ag OSP

Imm. Sn

HASL 29/35

HASL (Hot Air Solder Level) •

Bevonat – SnCu – SnCuAg – stb.

•

Elınye – Többszörösen forrasztható – Sokáig tárolható – Olcsó

•

Hátránya – Egyenetlen felület – Bevonó-medencét korrodálja

panel

fúvóka

folyasztószer

olvasztott forrasz

1. lépés

2. lépés

30/35


15


2009.03.24.

OSP (Organic Solderability Preservative) •

Bevonat – Víz-bázisú szerves elegy: Benzotriazol Benzimidazol

•

Elınye – Egyszerő technológia – Nagyon olcsó – Sima felület – Majdnem láthatatlan

•

Hátránya – Korlátozott tárolhatóság – Korlátozott számú forraszthatóság – Néhány fajta flux-szal nem kompatibilis

solder

finishing

31/35

ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold) solder •

Bevonat – Ni + Au

•

Elınye – Többszörösen forrasztható – Sokáig tárolható – Jó nedvesítés

•

Hátránya – Bonyolult technológia – „Black pad” effektus – Drága

finishing

32/35


16


2009.03.24.

Kémiai technológiák Árammentes („kémiai”) fémbevonat-készítés Men+ + redukáló anyag = Me pl. CuSO4 + 4NaOH + 2HCHO = Cu+2HCOONa + Na2SO4 + H2 + 2H2O • A hordozó felületét aktiválni kell. • Mővelete a kémiai redukción alapul, amit az aktiváló részecskék inicializálnak. • Fı felhasználása, hogy fémezze az elszigetelt furatok falát.

Immerziós lerakódás

Me2

Me2 ⇒ Me2k + + ke− Me1n+ + ne− ⇒ Me1

Me1n+

• Nincs szüksége se tápra, se aktiválóra. • A munkadarab anyaga (Me2, csak fém lehet) oxidálódik, az elektronjait transzmittálja az Me1n+ -ba, ami így redukálódik és lerakódik a munkadarab felületére. A folyamat feltéle, hogy az Me2 normál potenciálja negatívabb legyen, mint az Me1-é. 33/35

Immerziós ezüst 2Ag+ + Cu

2Ag + Cu2+ solder

•

Bevonat – Ag

•

Elınye – Egyszerő technológia – Olcsó – Többszörösen forrasztható

•

Hátránya – Korlátozott tárolhatóság (vákuumcsomagolás kell) – Kloridos vagy szulfidos atmoszféra oxidálja

finishing

34/35


17


2009.03.24.

Immerziós ón Sn2+ + 2Cu

Sn + 2Cu+

•

Bevonat – Sn

•

Elınye – Egyszerő technológia – Olcsó

•

Hátránya – Whisker kialakulás veszélye – Korlátozott tárolhatóság – Korlátozott számú forraszthatóság

solder

finishing Whisker

35/35


18

AZ RoHS ÉS KÖVETKEZMÉNYEI

Recommend Documents