Бессвинцовая технология — требование времени или прихоть экологов?
Призыв к запрету использования свинца в электронной аппаратуре приобретает все больше сторонников. Японские фирмы отказываются от использования свинца из соображений конкуренции, европейские — под давлением законодателей, американские до сих пор не определились с этой проблемой. В статье рассмотрены различные аспекты перехода на бессвинцовую технологию -юридические, экономические, технические, экологические, организационные.
Движение за полный запрет свинца в электронной аппаратуре набирает все большую силу во всех промышленно развитых странах. Особую активность проявляют правительственные и экологические организации Европейского Союза и США. Японская администрация несколько дистанцировалась от проблемы, не желая вмешиваться во внутренние дела промышленности. Переход на бессвинцовую технологию происходит в ответ на экологические и торговые барьеры, устанавливаемые в Японии и ряде европейских стран, которые полны решимости запретить импорт электронных устройств, содержащих токсичные металлы.
Отказ от свинцовых припоев и покрытий может привести к изменению технологии пайки и инфраструктуры сборочных производств. Потребуется корректировка режимов пайки и, как следствие, доработка технологического оборудования. Потребуется проведение комплексных испытаний «бессвинцовых» паяных соединений на прочность, надежность, коррозийную стойкость, совместимость с материалами и покрытиями компонентов и печатных плат. Потребуются новые флюсы и моющие жидкости и проведение всех необходимых испытаний для подтверждения их эффективности.
И, наконец, на реализацию проекта понадобятся средства, и немалые. Так стоит ли овчинка выделки? Не проще ли вместо запрета на свинец усилить контроль за утилизацией аппаратуры? Или ограничить использование свинца? Попытаемся ответить на все эти вопросы.
Юридические аспекты проблемы
Начало проблеме положил сенатор AI Gore в 1992 году, представив в конгресс США законопроект «Lead Exposure Reduction Act», известный также как «The Reid Bill». К документу прилагался обширный список подлежащих запрету «свинцовых» материалов и изделий, в который попала и продукция электронной промышленности, включая свинцовые припои и покрытия. Ранее действовавшее в США «антисвинцовое» законодательство запрещало использование свинцовых красок и сантехнической арматуры при строительстве и ремонте, некоторых покрытий, этилированного бензина (содержащего тетраэтилсвинец) и ряда боеприпасов.
Однако вследствие интенсивного лоббирования представителями электронной промышленности из списка запрещенных материалов были исключены свинцовые припои и покрытия. Тем не менее, Агентству по охране окружающей среды EPA (Environmental Protection Agency) было поручено провести инвентаризацию всех изделий, содержащих свинец, и составить список материалов, которые могут нанести существенный вред здоровью человека. Кроме того, в апреле 1993 года был принят «Lead Tax Act», в соответствии с которым подлежит обложению налогом каждый фунт свинца как в изделиях собственного производства, так и импортируемых из других стран.
Реального воздействия на американскую электронную промышленность все эти меры не имели. До сих
пор в США не существуют какие-либо нормативные акты или законодательные предложения, ограничивающие использование свинца в электронной промышленности. Единственное ограничение связано с утилизацией отработавшей электронной аппаратуры. Существуют также рекомендации экологов по снижению содержания свинца в аппаратуре.
Бессвинцовая технология в Европе
Так сегодня обстоят дела в США. Все успокоились и отложили решение проблемы до лучших времен. Однако дурные примеры заразительны. Поднятая законодателями США волна докатилась до Европы. В дело включился Европейский Союз. Европейская комиссия (EC), отвечающая за состояние окружающей среды, радиационную безопасность и защиту населения, приняла в 1998 году в Брюсселе к рассмотрению проект директивы WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment directive) [5351].
В соответствии с этой директивой, с 1 января 2004 года в Европе полностью запрещается использование свинца при производстве радиоэлектронной аппаратуры. Однако авторы этого документа, как и в США, встретили жесткое сопротивление крупнейших европейских промышленных и торговых структур, включая Федерацию производителей печатных плат PCIF (Printed Circuit Industry Federation), Федерацию электронной промышленности FEI (Federation of Electronics Industries) и Европейскую федерацию производителей электронной аппаратуры EFIP (European Federation of Interconnection and Packaging). В поддержку своих европейских коллег выступила также и Американская ассоциация электронной промышленности (American Electronics Association), которая выразила свои сомнения в адекватно-
сти и юридической корректности принимаемых мер. Изучением проблемы бессвинцовой технологии в электронной промышленности срочно занялось правительство Англии.
EFIP возражает против запрета на использование свинца по двум причинам. Во-первых, переход на бессвинцовые припои — достаточно сложная научная и техническая задача. Следует напомнить, что в мире до сих пор не предложено полноценной замены оловянно-свинцо-вым припоям. Во-вторых, поскольку запрет на свинцовые припои касается также материалов, импортируемых Европейским Союзом из других стран, то такой запрет может быть расценен ими как введение торгового эмбарго. EFIP призвала Европейскую комиссию отказаться от масштабных действий, отложить решение проблемы по крайней мере до 2009 года и ограничиться запретом захоронения электронных приборов в открытом грунте. EFIP пообещала также продолжить поиски заменителей для свинцовых припоев.
Похоже, что лоббирование EFIP, PCIF и FEI возымело свое действие. В январе 1999 года Совет министров и парламентов Европейской комиссии отказался ратифицировать вторую редакцию директивы WEEE. По слухам, из третьей редакции WEEE запрет на использование свинца в электронной промышленности исключен.
Однако в ряде европейских стран, в частности, в Дании и Швеции, кампания по запрету свинца все-таки достигла своей цели. Дания разработала несколько нормативных актов, в соответствии с которыми ограничивается импорт, маркетинг и производство свинца и сплавов на его основе, однако до сих пор ни один из них не принят. Швеция из экологических соображений намерена к 2020 году полностью отказаться от производства и использования свинецсодержащих продуктов. Германия пошла по другому пути. Законодатели ввели нормы, регулирующие процедуру утилизации и захоронения выведенной из эксплуатации аппаратуры.
Бессвинцовая технология в Японии
Правительство Японии с осторожностью отнеслось к запрету свинца, не желая вмешиваться во внутренние дела промышленности. Тог-
да инициативу взяла в свои руки Японская ассоциация электронной промышленности JEIDA (Japanese Electronic Industry Development Association). 30 января 1998 года JEIDA совместно с Комитетом по пайке Ассоциации производителей электронной аппаратуры JIEPA (Japanese Institute of Electronic Packaging Association) приняла основные положения программы по исключению свинца из электронной техники.
Многие национальные компании ведут инициативные работы по этой тематике. Большинство крупных OEM в Японии многократно заявляли о своих целях в части полного исключения или значительного снижения доли свинца в своих изделиях, о создании и выводе на рынок так называемых «greenw-устройств.
Так, Matsushita (Panasonic) планирует полностью исключить свинец из четырех своих изделий к концу
2001 года. Sony намерена отказаться от использования свинца в устройствах с высокой плотностью компоновки. NEC планирует к 2002 году на 50% сократить количество свинца в своих изделиях (по сравнению с 1997 годом). Toshiba предполагает в ближайшее время полностью исключить свинец из своих сотовых телефонов. Hitachi планирует в течение 2001 года частично отказаться от паяных соединений на основе свинца. Fujitsu быстро сокращает содержание свинца в своих изделиях и намерена полностью отказаться от свинцовой пайки к декабрю
Экологические аспекты проблемы
Современные экологические требования — полностью запретить использование свинца в припоях и покрытиях при производстве электронной аппаратуры. Как отмечалось ранее, инициатива исходит от США и европейской законодательной организации WEEE. Аналогичную позицию занимает и Японская ассоциация электронной промышленности JEIDA [1].
И все-таки остается вопрос, а действительно ли используемый в электронной аппаратуре свинец так сильно вредит окружающей среде? Или за всем этим шумом скрываются какие-то другие мотивы? Для ответа следует обратиться к некоторым фактам.
Приведет ли отказ от использования свинцовых припоев к улучшению экологической обстановки? Вряд ли. Здесь следует напомнить, что в электронной промышленности используется менее 1% всего добываемого в мире свинца. Более 80,8% свинца применяется в аккумуляторах, причем эта цифра продолжает расти. В припоях используют и другие металлы, например, Ад, Bi и БЬ, мировые запасы которых значительно уступают свинцу. Уже по причине сохранения этих ресурсов следует увеличивать добычу и продолжать использовать свинец.
Второе замечание касается изменения режимов пайки при использовании бессвинцовых припоев. Большинство предлагаемых для замены сплавов имеют более высокую температуру плавления (210…227°С). Использование новых припоев потребует пересмотра всей сложившейся инфраструктуры: режимов пайки, оборудования, проведения исследований надежности паяных соединений, совместимости с покрытиями выводов компонентов и проводников печатных плат, подбора новых флюсов и моющих жидкостей, а также режимов очистки. И еще одно замечание. С повышением температуры пайки растет потребление энергии, что может привести к дополнительному загрязнению воздуха и будет способствовать глобальному потеплению атмосферы.
Сторонники запрета свинца особый упор делают на бесконтрольность утилизации выведенной из эксплуатации аппаратуры. Сегодня происходит быстрая смена поколений аппаратуры. Аппаратура не успевает вырабатывать свой ресурс. Замена часто происходит по соображениям престижности. Это касается в первую очередь персональных компьютеров, сотовых телефонов, телевизоров, пейджеров. Стоит напомнить о тех миллионных тиражах, которыми выпускается вся эта техника. Муниципальные службы обеспокоены проблемами захоронения электронной аппаратуры. Считается, что под действием атмосферных осадков свинец может растворяться, проникать в грунтовые воды, а оттуда в источники снабжения населения питьевой водой и привести к массовым отравлениям.
Вопрос: а насколько велик риск отравления по этой причине? Еще
раз следует напомнить, что на городских свалках 48,1% свинца (по весу) приходится на аккумуляторные батареи и всего лишь 4,4% — на долю свинца, содержащегося в электронной аппаратуре. Судя по этим цифрам, в первую очередь следует решать проблему утилизации аккумуляторов, а не электронной аппаратуры. Проведенные в 1998 году обследования показали, что из 139 проб, взятых в грунтовых водах вблизи 45 городских полигонов (свалок), не было зарегистрировано ни одного случая превышения норм содержания свинца. Таким образом, тезис о проникновении свинца в грунтовые воды не подтверждается на практике.
Рыночные аспекты проблемы
Целый ряд компаний, главным образом в Японии, начал переходить на бессвинцовую технологию раньше, чем вступили в силу законодательные ограничения. Это означает, что бессвинцовая аппаратура быстро становится рыночной концепцией. Если учесть, что ряд стран намерен закрыть свои границы для электронных устройств, содержащих свинец, то производители бессвинцовой аппаратуры получают значительные рыночные преимущества.
Сегодня происходит быстрая смена промышленных приоритетов. Проведенные TechSearch International исследования на тему «Бессвинцовая технология — экологически чистое электронное производство» (Lead-free Movement: Environmentally Friendly Electronics Manufacturing) подтверждают, что страх перед законом не является основной движущей силой перехода промышленности на бессвинцовую технологию.
Производители начинают учитывать естественное стремление потребителей к улучшению окружающей среды. Отказ от использования свинца в припоях и покрытиях способствует этому. Когда-то публике внушили, что свинец — вредный металл. Обывателя не интересует, сколько свинца используется в электронной аппаратуре и как он используется. Обыватель твердо уверен в том, что наличие свинца в приборе — это плохо. И вряд ли найдется такой, кто попытается изменить это мнение, скажем, путем массированной рекламной кампании. Таким образом, ответ на гамлетовский воп-
рос «быть или не быть» бессвинцовой технологии, в конечном итоге находится в руках потребителей.
Компании стремятся извлечь выгоду из беспокойства потребителей по поводу окружающей среды и переходят на бессвинцовую технологию, чтобы увеличить долю своего участия на рынке. Дружественная к окружающей среде бытовая электроника может стать серьезным доводом в конкурентной борьбе. Примером такого подхода может служить «бессвинцовый» портативный плеер MiniDisc MJ30, выпущенный Panasonic в 1998 году, рыночные продажи которого возросли за последние шесть месяцев с 4,7 до 15%. Следует отметить, что стоимость «бессвинцового» плеера не превышает стоимости стандартных устройств этого типа.
Будет интересно понаблюдать, как будут восприняты «зеленые», или «бессвинцовые», электронные устройства на таких крупных рынках, как американский и европейский. Определяющей в этом вопросе будет реакция потребителей. В США, так же как и в Японии, имеется потенциал для коммерческого успеха, но при одном условии — равной стоимости «бессвинцовых» и обычных устройств. Так, например, из двух предлагаемых на рынке телефонов одинаковой стоимости и с одинаковыми характеристиками потребитель почти наверняка выберет «бессвинцовый» по экологическим соображениям, но при разной стоимости выбор, скорее всего, будет сделан в пользу более дешевого аппарата.
Организационные аспекты проблемы
В США работы по бессвинцовой технологии координирует Институт печатных плат IPC (Interconnecting and Packaging Electronic Circuits Institute), и это после активного противодействия бессвинцовому законодательству в начале 1990-х годов!
Свою позицию IPC изменила не под влиянием законодателей, а под воздействием рыночных механизмов. Большинство фирм — членов этой организации — начало заметно нервничать, усматривая угрозу со стороны японских производителей электроники, активно осваивающих рынок «зеленых» (экологически чистых) электронных приборов. Основная цель программы IPC по перехо-
ду на бессвинцовую технологию -оказать содействие предприятиям в создании необходимой инфраструктуры, проведении исследований бессвинцовых материалов и технологий. По заявлению представителя IPC, институт в течение многих лет ведет работы по бессвинцовой технологии, в частности, исследует совместимость бессвинцовых припоев с различными покрытиями.
В 1994 году в Европе была принята программа IDEALS (Improved Design Life and Environmentally Aware Manufacturing of Electronics Assemblies by Lead-free Soldering -Увеличение срока службы и эколо-гичности производства электронной аппаратуры при переходе на бессвинцовую пайку). В программе приняли участие крупные OEM, различные консорциумы и исследовательские группы. Основная цель программы — рассмотрение возможности исключения свинца из электронной аппаратуры.
В Лондоне организован Центр по исследованию бессвинцовой технологии (Lead-free Soldering Technology Centre) для оказания содействия фирмам при переходе на новую технологию [2]. Центр создан по инициативе Международного института олова ITRI (International Tin Research Institute), изучавшего проблему в течение последних нескольких лет. В Центре проводятся исследования по металлургии и надежности паяных соединений, бессвинцовой технологии производства печатных плат и компонентов, утилизации приборов. Центр организует семинары и лекции по бессвинцовой тематике, например «Технология пайки нового тысячелетия» (Soldering Technology for the New Millennium).
Работы по бессвинцовым припоям проводятся также в Национальном технологическом центре NCMS (National Center for Manufacturing Sciences) в рамках проекта Lead-free Solder Project. О своем намерении совместно исследовать бессвинцовые припои и покрытия сообщили National Electronics Manufacturing Initiative (NEMI) и Interconnection Technology Research Institute (ITRI). Вопросами бессвинцовой технологии занимаются также SEMI и JEDEC, которые объявили о проведении работ по тестированию материалов и компонентов при температуре процесса до 260°C.
Японская ассоциация производителей электронной аппаратуры ЛБРД разработала и приняла программу перехода на бессвинцовую технологию, что оказало положительное влияние на большинство мировых производителей электроники.
Технические аспекты проблемы
Отвлечемся на время от экологических, рыночных и юридических аспектов проблемы и рассмотрим чисто технические вопросы. Задача перехода на бессвинцовую технологию поставлена, и ее необходимо решать. Так чем же заменить свинец? И возможна ли такая замена в принципе? Существуют ли бессвинцовые припои, близкие по своим свойствам к знаменитой эвтектике Бп63/РЬ37.
Бессвинцовые припои
Сегодня выдано более ста патентов на сплавы различных составов для замены свинцовых припоев. Не все сплавы коммерческие, но выбор достаточно широкий. В настоящее время сложно ответить на вопрос, какой сплав самый лучший, поскольку абсолютно равноценной замены до сих пор не предложено. Сплавы отличаются как по температуре плавления, так и по смачиваемости, прочности, стоимости. Каждый припой обладает уникальным сочетанием свойств, что затрудняет окончательный выбор.
При переводе изделий на бессвинцовую пайку приходится учитывать целый ряд факторов. Припои подбирают, исходя из особенностей конструкции устройства, топологии печатной платы, механических и электрических характеристик блока, условий его эксплуатации. При выборе учитывают также температуру плавления припоя, надежность паяных соединений, устойчивость монтируемых компонентов к температуре пайки, различия режимов при пайке оплавлением и волной припоя.
Основной критерий при выборе припоя — это температура плавления. Все припои по этому признаку можно разделить на четыре группы: низкотемпературные (температура плавления ниже 180°С), с температурой плавления, равной эвтектике Бп63/РЬ37 (180…200°С), со средней температурой плавле-
ния (200…230°С) и высокотемпературные (230…350°С). Основные типы бессвинцовых припоев приведены в таблице 1.
Низкотемпературные припои имеют ограниченное применение. В их состав входят, кроме олова, висмут и индий. Самые распространенные эвтектические сплавы — олово-висмут и олово-индий. Трудно ожидать, что сплавы с низкой температурой плавления обеспечат надежные паяные соединения при высоких температурах эксплуатации. Существуют также ограничения по поставкам индия и висмута, высока стоимость припоев на их основе.
Большинство среднетемператур-ных припоев для замены свинца -это сложные по составу сплавы на основе олова с добавлением меди, серебра, висмута и сурьмы. К сожалению, ни один из них не может полностью заменить Бп63/РЬ37, у всех сплавов выше температура плавления. Наиболее близкий по своим свойствам припой Бп95,5/Дд3,8/ Си0,7 сегодня используется для пайки оплавлением при поверхностном монтаже.
Сплавы с большим содержанием свинца имеют температуру плавления около 230°С. В этом температурном диапазоне практически отсутствуют бессвинцовые припои для замены. Самый дешевый заменитель — это припой Бп99,3/Си0,7,
который рекомендован для пайки волной припоя. Недостаток Бп/Си-припоев — высокая температура плавления (227°С для эвтектики) и низкая прочность. Предпочтительны эвтектические сплавы, поскольку их кристаллизация происходит в узком температурном диапазоне, при этом отсутствует смещение компонентов, в результате чего достигается более высокая надежность соединений (меньше вероятность получения «холодных» паек).
Лучшими свойствами обладают сплавы Бп/Дд, у них более высокая смачиваемость и прочность по сравнению с Бп/Си. Эвтектический сплав Бп96,5/Дд3,5 с температурой плавления 221°С при испытаниях на тер-моциклирование показал более высокую надежность по сравнению с Бп/РЬ. Припой Бп96,5/Дд3,5 многие годы успешно применяется в специальной аппаратуре.
Эвтектический припой Бп95,5/ Дд3,8/Си0,7 был получен в результате доработки базового сплава Бп/ Ад. Четыре года назад этот сплав был неизвестен, поскольку припой Бп/Дд/Си имел более низкую точку плавления (217°С) по сравнению с Бп/Дд. Точный состав этого припоя по-прежнему остается предметом для обсуждения. Бп/Дд/Си может быть использован для получения как универсальных, так и высокотемпературных припоев.