欧盟RoHS指令实施一年多来对电子设计的最新影响和思考

Gary Nevison，派睿电子RoHS工作组资深顾问

欧盟 – RoHS 指令
限制使用某些危险物质的指令（欧盟RoHS 指令2002/95/EC），已于2006年7月1日起生效。这对涉及欧盟RoHS范围内的欧盟WEEE指令中8类产品的设计工程师已经产生了影响。目前，欧盟RoHS正在接受审核，其范围可能会扩大，以涵盖医疗设备以及监控和控制器具。这一指令的更改已经影响了超出其范围的电子行业中的各个领域，汽车、甚至航空领域都出现了消除欧盟RoHS物质的趋势。
欧盟RoHS最重大的影响是限制焊料内含有铅。这已经导致电气设备设计的变化，主要是因为没有锡铅焊料的无铅式“混入”替代品。无铅焊料的使用本身不要求更改设计，但欧盟RoHS要求对设计进行更改，原因有多种，例如：许多元器件已经废弃，尤其是年限较长的微处理器和存储芯片；使用无铅焊料要求更高的回流温度，可能损害许多种类的元器件，尤其是较大的电解电容器和一些连接器。可能要使用通孔元件或手工焊接方法，以最大限度降低热损伤，但有时完全重新设计也在所难免。
更高温度导致对元器件和绝缘板的损害，最好能尽量降低这一损害。板布局可以提供帮助，并避免同时焊接极大的元器件和小的热敏感元器件。更高Tg绝缘板可帮助避免在更高焊接温度时的变形和脱层问题。无铅可焊镀层一般是纯锡，但也可使用锡铋和锡铜。所有这些材料都容易受到可能导致短路的锡须所带来的影响。尽管锡须引起的故障很少出现，但依然有许多已经公布的方法用来最大限度降低这一风险，其中一个最广泛采用的策略由iNEMI提出。设计可帮助实现风险最小化，尽量不要使用定制的镀锡器件，同时也应避免细密器件端接。由于缺乏实验证明的数据，无铅焊接电子器件的长期可靠性无法确定――因为无铅焊料太新了。有研究指出，当焊点遇到较高张力时，无铅焊料比锡铅焊料更容易受到热疲劳的影响。在低张力的情况下，无铅焊料似乎表现更优秀。设备的设计可最大限度降低焊点的张力，例如，通过避免使用大型芯片元件、无铅陶瓷器件和带有合金42铅框的J引脚IC。带有灵活“鸥翼型”端接的器件和小型芯片电阻器等可以带来的风险较低。
欧盟RoHS也对其他材料产生着影响。EMC性能要求面板之间有良好的传导性，传统上是基于六价铬的钝化涂层而实现。虽然有替代品，但可能不足以满足在更苛刻环境中使用的设备的要求，可能需要能够保证EMC性能的替代设计。
设计工程师不能仅考虑计划使用的器件的技术性能，而且还需要保证这些器件符合欧盟RoHS等规范，并能够承受回流温度。欧盟RoHS物质可能用在意想不到的地方。黄牌立顿红茶可能含有作为色素的六价铬，而且器件上的墨水可能含有作为干燥剂的铅。然而，仅凭对遵从法规的供应商的信心还不够，供应商的可靠性必须首先得到保证。如果有疑问，则需要进一步的检查。像派睿电子这样的供应商已经制订了全面的措施，用于保证如果声称某个部件符合欧盟RoHS要求，则一定会符合要求，但并非所有供应商都有这种严格的程序。

对设计工程师的影响：
• 必须避免欧盟RoHS物质；
• 无铅焊料温度更高，因此，需要考虑元器件的最高温度及其对欧盟RoHS指令的遵从；
• PCB设计不需要做出显著的更改，但如果一个器件不能符合欧盟RoHS指令要求，则需要重新设计；
• 现在，利用符合欧盟RoHS规范的器件可以更容易地设计新产品，即使这些产品不属于欧盟RoHS的范围。要考虑设计如何影响长期可靠性的问题。
欧盟-RoHS的审核
欧盟目前正在复核欧盟RoHS指令。这项检查将涵盖所有方面，包括范围 – 是否应包含第8类别和第9类别？是否应增加更多危险物质？现有的所有豁免条款都要被复核，而且定义和执行条件也要检验。第8类别和第9类别很可能也要包含进来（2012年），而且对欧盟WEEE指令范围的更改也可能影响欧盟RoHS。我们很难看到如何限制其它物质。许多剧毒化学品都用在了生产工艺中（溶剂、密封器件等），但大部分在最终成品中并不含有这些物质。最终成品中含有的少数毒性物质（例如砷和铍）之所以使用，是因为其所在领域中尚无替代品。然而，需要一个全面的研究才能确定是否要将这些物质加入进来。希望尚不明确的许多领域（固定装置、上市产品、备件等）都能得到澄清。

对选择符合欧盟RoHS指令元器件的一些小提示
在现阶段，中国的工程师们需要特别留意那些满足欧盟RoHS“豁免条款”的产品，因为这并不意味着它们就能符合现行的中国RoHS标准。举例来说，基于对含铅陶瓷和玻璃所做出的豁免，很多被动元器件（如电阻）都是符合指令的，而这些都将需要符合中国RoHS的橙色标识及详细的物料清单等等。正如上述例子所说，中国的条款不仅要求贴有绿色标识的欧盟RoHS协从，且还需有橙色的标识，就算有欧盟的豁免也不能例外。


中国RoHS标准：OEM厂商和供应商面临的新挑战
Actel公司 Cindy Newell
在欧盟的有害物质限制(RoHS)法规生效不到6个月，中国政府就颁布了相应的有害物质污染控制法规《电子信息产品污染控制管理办法》，旨在应对电子制造行业从产品设计、开发、制造到销售各个环节的环保问题。该管理办法同时还承诺中国将制定更为全面的污染控制方案，使中国在环保管理方面处于领先地位。
该管理办法最初颁布了三个标准，涉及产品标签、最大浓度和有害物质的测试方法。首先是SJ/T 11364-2006《电子信息产品污染控制标识要求》，该标准要求生产电子信息产品的企业，如果生产的产品是投放中国市场，必须对其电子产品中含有的有毒有害物质的情况进行标注；其次是SJ/T 11363-2006《电子信息产品中有毒有害物质的限量要求》，该标准定义各种有毒有害物质的最大允许浓度；第三是SJ/T 11365-2006《电子信息产品中有毒有害物质的检测方法》，该标准描述检测管理办法中针对的6种有毒有害物质所必须使用的测试方法。
分步实施
中国的法规在很多方面与2006年7月在欧洲实施的RoHS标准相似。例如，中国和欧盟的法规都针对同样的有害物质(即铅、镉、汞、六价铬 、多溴联苯和多溴二苯醚)的使用建立了控制管理办法。但在其他一些方面，中国的法规与欧盟的要求还是有差别的。与欧盟要求不同，中国决定分两步来实施其RoHS法规，给制造厂商提供一定的时间来寻找替代材料，逐步减少有害物质的使用。
由2007年3月1日起，中国要求生产厂家对其所有投放中国市场的产品进行标注，说明产品生产过程中所使用的有毒有害物质。到第二阶段，生产厂家必须采用更环保的材料，并遵守目录管理。该法规适用于产品目录中要求达到3C认证的那些最终产品。最后，目录中的所有产品，若要进口或销售到中国，都必须获得3C认证。不过，有关的产品目录目前仍在制定扩充。同时，中国一直在指导生产厂家使用电子信息产品分类注释(EIP)文件，该文件是一个指导性文件，给出了电子信息产品的总体分类。
欧盟和中国的标识要求也有所不同。欧盟对标识没有特殊要求，而中国的RoHS法令则要求所有产品满足规定的标识要求，标记必须包括一个 内含“e”字母的绿色圆圈图案(见图1)。如果某一产品未达到要求，生产厂家必须在产品说明书上列出相关的有害物质，同时还得用另一种图案(见图2)标注产品的环保使用期限(EPUP)。EPUP标注了设备中有害物质在多少年内不会泄漏或不会对人身或财产造成严重的环境损害。

图1 产品符合RoHS标准标志


图2 产品中的有害物质含量不符合RoHS标准，并指示产品的环保使用期限(EPUP)，而相应的限制标准即将出台
怎样才能最好地满足中国的RoHS限制要求
由于OEM厂商执行的是欧洲的RoHS标准，新的规定出台后对供应链有很大的影响。虽然产品的标记一般是由最终产品制造厂商负责，但为了达到标准要求，他们得与供应商密切配合。那么，面对这些新的规定，OEM厂商如何挑选供应商才能尽快使其产品符合标准呢？
首先，要审查供应商在其它市场是否遵守相关环保规定的记录。例如，达到欧盟RoHS标准的供应商已经完成了漫长且复杂的产品认证和测试手续，并形成了产品化学成分的文档。
其次，确定供应商以多快的速度达到了欧盟环保标准，以及该供应商的环保作业程序建立了多长时间。某些半导体厂商早就达到了欧盟RoHS要求，较欧盟RoHS标准的最终期限提前了许多。例如，Actel公司比2006年7月最终期限提前两年多达到了欧盟RoHS标准。具有这种业绩记录的公司在环保限制方面经验丰富，OEM厂商选择其作为供应商的风险较小甚至无风险。
最后，应该加强供应商和OEM厂商之间的沟通和交流。这对于加快认证、满足新的RoHS规定很重要。组件生产厂商必须拥有多种产品线来支持不同的全球化市场，满足不同的RoHS标准。随着中国RoHS标准的第二阶段要求的实施，OEM厂商和供应商必须能够高效快速地进行沟通。而且，供应商必须随时向OM厂商提供最新开发的组件和技术，从而使到OEM厂商能够按预先制定的计划达到标准。

IDT：应对环保标准新挑战

IDT 公司全球装配和测试部副总裁 Anne Katz

IDT 早在 1999 年就启动了“绿色环境规范计划” ,其目的不仅是为了响应即将生效的欧盟RoHS指令，也是为了制定一个限制新出现有害物质的计划，以避免为满足各种即将出台的指令而出现的多种型号产品的管理难题。IDT 的绿色计划除了限制铅（Pb）的使用，还限制汞（Hg）、镉（Cd）、六价铬（Cr+6）、聚溴化联苯（PBB）和聚溴化二苯醚（PBDE）的使用。所有符合 IDT 绿色规格的产品也必须仅含限量的溴（Br）、氯（CI）、三氧化二锑（Sb2O3）或锑。而且，所有产品也不能使用任何红磷（P4）。
为了满足绿色封装要求，半导体厂商必须实现无铅电镀工艺和使用无铅焊球，封装端点必须将铅（Pb）镀层限制在百万分（ppm）之一千以下。同样，制造商必须转向采用由锡/银/铜（Sn/Ag/Cu）组成的焊料的 BGA 封装，并满足同样低于 1,000 ppm 的铅（Pb）限制。这些绿色封装也需要限制传统的溴（Br）和锑（Sb）阻燃剂的使用，这种阻燃剂不仅危害环境，也会腐蚀产品，并缩短产品寿命。IDT 已经有合格的纯锡电镀工艺和无铅焊球，并开发了一种始终可应用于公司装配转包商及其内部的工艺。为了满足行业标准的无铅要求，所有 IDT 引线框产品现在都使用镀纯锡的端点。绿色 BGA 产品使用由锡/银/铜组成的焊球。除了满足 RoHS 的要求，所有 IDT 绿色产品都满足溴+氯（<900 ppm）和锑（<750 ppm）的封装材料要求。验证表明，所有绿色产品中的铅含量（Pb）均<1,000 ppm。
就挑战而言，IDT 需要重新检查和修改设计、工艺和制造工艺，以满足所有的需求；同时也要与客户一起讨论和合作，以便尽早地开始实施转移计划。其中，转向无铅镀的一个挑战是潜在的晶须生长。所有 IDT 绿色镀锡产品都是在 150 氏度下退火一小时。这种烘烤可保证铜锡金属间的晶粒内而不是在晶界形成一致的生长，这样有助于降低电镀之间的压力，避免晶须生长。此外无铅焊需要更高的熔点，所以使用这些焊料的元器件必须能够承受更高的回流焊温度。传统的系统是在 240 摄氏度或更低的温度下工作，而这些新型无铅封装必须能够承受峰值温度为 260 摄氏度的电路板安装回流焊，并仍能保持目前电子器件工程联合会（JEDEC）抗湿性级别，以满足可靠性标准。IDT 已经将其整个产品线转向更高的 260 摄氏度回流焊温度要求，并已证明在 260 摄氏度回流焊温度下，所有的封装均满足目前 JEDEC 湿度等级要求。
IDT 可以与同行共享的经验包括：
1. 尽早制定符合绿色规范的策略和计划；
2. 与供应商合作建立物流管理和开发合作计划，以便在转移阶段同时提供含铅和无铅元件；
3. 在客户转移之前和转移期间与其保持持续和开放的沟通；
4. 制定计划对产品供货日期、编码和可靠性问题进行明确分类。

Thermo Fisher 推出手持式RoHS检测仪

作为全球科学仪器行业的领导者，新合并的Thermo Fisher一直走在科学检测行业的前列。随着最近欧盟和中国的电子产品环保标准的推出，电子工厂对电子产品中的化学物质检测就成为一项重要的任务，而这必然促进化学元素检测仪器在电子制造工厂的应用。
Thermo Fisher公司针对这种需求，利用之前两家公司的优势品牌，专门加大了针对RoHS和WEEE标准检测设备的开发力度，并且率先推出了多款用于生产线的化学物质检测仪器，其中NITON便携式XLt 797分析仪为塑料和电子元器件中受RoHS法令限制的物质提供了一种快速、可靠、无损样品的筛检手段。轻扣扳机，XLt797能迅速地在几十秒内对镉、铅、汞、总铬、总溴及其他构成元素进行快速定量分析，从而确定是否符合环保标准的需求。PCB板、电子元器件、塑料外壳、电缆、含镀层的紧固件等，都可以用 XLt 797来检测。XLt 797做RoHS筛选检测，可消除由于等待实验室结果而导致的生产延误，由于采用X荧光能量色散原理，不需要取样及破坏待测样品。它具有快速、无损测试样品以及操作简单明了的特点，可帮助用户在短时间内实现更大范围的样品抽检，大大地减少了RoHS 限制的物质进入生产过程的机会。NITON NDT软件工具可将设备无线连接到计算机或掌上电脑上，实现仪器远程控制和数据分析。
据Thermo Fisher公司中国总经理 Bill Kinsey 介绍，中国作为世界电子产品制造中心成为化学元素检测的最大市场，公司通过提供尖端的检测设备、完善的产品毒害物质管制和检测方案，以及专业的技术支持来帮助企业应对RoHS/WEEE指令全面实施的挑战，包括AA光谱仪、ICP-OES光谱仪、UV-Vis光度计、XRF分析仪、GC-MS联用仪、FT-IR光谱仪和实验室分析软件（LIMS），除了能帮助企业全面应对环保新法规的挑战，还将提升国内电子厂商在国际市场的竞争实力。比如ARL QUANT’X荧光能谱仪可以实现RoHS和WEEE法规所需的检测灵敏度和必不可缺的自由度，国内很多省市的技术监督局都已经采用该仪器进行RoHS检测，富士康公司则是Thermo Fisher电子产品化学元素检测设备在电子制造领域的忠实用户。

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