后RoHS时代,设计中优先考虑的问题开始转移

2008-03-02 20:46:16来源: 电子工程专辑

  在欧盟RoHS指令禁止使用六种会让环境造成污染的有害物质生效三个月之后,设计工程师们已经深刻意识到:不满足该禁令就意味着将失去市场。

  Palm公司最近宣布不再对欧洲出售Treo 650智能电话,因为该产品无法满足RoHS要求。而基于相同原因,苹果电脑公司的多款产品也将在欧洲停止销售。根据AppleInsider网站6月份的报告,这些产品包括iSight网络照相机、带调制解调器的AirPort基站、AirPort基站以太网供电设备和天线、iPod Shuffle外接电池组和所有版本的eMac一体化台式电脑。不过最新一代iPod产品iPod Nano和iPod Shuffle都满足RoHS要求。

  欧盟RoHS指令涵盖了铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚这六种有害物质。全球的电子设备供应商在面向欧洲市场推行新产品时,都在努力避免使用上述有害物质,同时还要调整其制造工艺来适合无铅化环境要求。

  不过这还只是个开始。目前,中国大陆、台湾地区、韩国和美国某些州都在制定自己的“绿色”或类RoHS法规,这意味着符合RoHS标准将成为设计人员开发过程中的重要环节,因为在概念、开发、原型、试制和量产各个阶段都必须进行RoHS检测。

  从寻找符合条件的绿色元器件库,到努力证明符合RoHS指令,以及开发工艺能够满足无铅制造所要求的更高温度等等,这些都是工程师需要关注的重点。不过对于设计人员来说,这还只是冰山一角。在无铅电路板加工和焊接过程中,仍有大量使人困扰的技术和可靠性问题需要解决。否则,像锡须和铜分解等难题将干扰制造过程,甚至引起返工。(锡须增长会导致电气短路从而引起故障;铜分解则会影响焊点的可靠性。)

  正如美国设计链协会(DCA)高级副总裁Ken Stanvick所言,之所以会产生如此多的问题,原因在于设计RoHS符合型系统时缺乏“专业知识”。“我们在铅制系统加工方面积累了丰富的专业知识,但对于无铅系统我们的知识却相对薄弱。”他说,“每个问题在得到解决之前都会迁怒于无铅工艺。我们需要进行多个可以反映真实环境的测试,并找出新系统中可能出现的各种问题。”

  EMA设计自动化公司总裁兼CEO Manny Marcano指出了部件报废所带来的影响,其中包括需要重新设计已有产品,并在方案设计开支计划中重点关注元器件工程。关键挑战在于设计过程中必须尽早确定RoHS设计规范,他指出。

  但设计者在确定规范之前,一定要知道自己设计的产品是需要完全符合RoHS,还是可以得到部分豁免,咨询公司PRTM总监Robert Chinn表示。“这将反映到设计者的设计参数中去。”他说,“以前他们是根据尺寸、性能、电气参数、性能和功能对器件进行取舍。现在他们必须增加有关环境兼容性方面的新要求:是符合RoHS 6呢还是符合RoHS 5?”(符合RoHS 6的器件不能使用所有6种禁用物质,而在RoHS 5模型中仍然可以使用铅。)

  如果设计者没能认真对待RoHS指令,那么任何一个证明其产品不符合RoHS的欧盟国家都可以对该供应商执行罚款。这会影响市场份额,以为不符合RoHS的供应商会由此失去竞争能力,Marcano指出。没有作好准备则意味着向RoHS符合性转变的脚步会有所延迟,从而丧失市场机会。

  这么说的意义何在?“为了减少下游风险,工程师需要在概念设计阶段就列出符合性数据。”Marcano指出。

  但是许多业内观察人士认为,中小型公司对RoHS转变将一直持漠视态度,直到一些主要的公司由于不符合RoHS而受到惩罚。“当问题暴发时,整个产业将发生一场动荡,每一位设计工程师在这时将有所感悟。”Avnet Logistics公司策略规划与通信总监、负责美国分销商RoHS符合性工作的项目经理Steve Schultz表示。

  产品开发者对RoHS的关注原因主要围绕在以下几点:害怕产品禁用带来收入损失,害怕公司无法提供用户需要的RoHS符合型产品,还有一点就是竞争,咨询公司GoodBye Chain Group总经理Harvey Stone表示。“在价格、品质和服务水平相当的情况下,明智的客户肯定会选择符合RoHS要求的产品。”他说。

  同时,设计者还在关注其它几种可能更为严格的环境法规,例如欧盟的化学品注册、评估和授权(REACH)法,该法规对数千种化学物质限制使用,以及最初目标瞄准能效要求的耗能产品(EuP)指令。

  “从对供应商的要求角度出发,EuP的复杂度比RoHS和WEEE高出了一个数量级。”Stone指出,“由于设计者在设计新产品时不得不考虑更多的环境参数,因此EuP将给他们带来更大的难题。”WEEE是欧盟的废弃电子与电气设备指令的缩写。

  业内人士认为,如果说这些新的环境规则正在为全球业务和供应链带来挑战,那么它们也会一如既往地驱动设计阶段改革。

  “通过要求设计者在设计时避免使用6种有害物质(否则就无法获得设计中标), RoHS正在逐步走向产品生命周期的设计阶段,以此减少环境问题。”Stone指出。为了做到这一点,设计者必须综合考虑其它设计标准,包括外形、装配、功能、成本和可销售性。他补充道:“在许多情况下,这是设计者首次在设计中将毒性要求作为设计参数。”

  毒性可能是目前最重要的环境参数,但在不久的将来设计者还必须在能效、产品可回收性、回收总量以及材料精简等问题上进行角逐。

  许多设计者,特别是小型公司的设计者,才刚刚在符合RoHS的设计道路上起步。“是否符合RoHS从一开始就应该成为产品要求,因为从那时起设计者要做的每件事都要支持这个决策。” Design Chain Associates的Stanvick指出。

  首先要确定的,就是产品是否在RoHS指令范围之外。如果是,那么就无需受指令约束。分销商Newark InOne公司行销总监Joanne Volakakis表示:“仍有客户在向我们咨询产品是否需要符合RoHS,通常中小型规模公司的工程师对这方面不太清楚。”

  同样值得关注的是,RoHS在提供众多优势的同时也带来了一些令人头疼的问题。Stanvick强调,制造商可以通过使工艺保持一致或减少材料来节约成本。“例如,使用再生塑料的成本平均比使用新塑料的成本低80%。”Stanvick说,“如果前端工作做得很好,那么下游工作就会变得容易些。”

  分销商的现场应用工程师(FAE)可以帮助客户实现RoHS转换,但这些FAE必须首先接受有关机械和制造问题的培训,美国艾睿电子公司工程总监Theron Makley指出。FAE通常是根据电气规范向客户推荐元器件的电子工程师。“由于增加了RoHS要求,我们必须培养自己的FAE,让他们能熟练指导客户有关RoHS的制造方法,并使客户明白工艺转换时可能存在的问题。”Makley表示。

  实现成功转换的另一要素就是设计方法学,来帮助设计者从元件选型到符合性验证的每个步骤都满足RoHS要求。该类型产品已经开始上市,EMA公司的工程数据管理系统就是其中一种,它增强了可在本地或全球展开部署的设计兼容性流程。

  虽然详尽的设计自动化工具使用说明非常重要,然而工具集的实际部署和实现才是成功的关键,EMA公司的Marcano认为。“任何人都可以用符合RoHS指令的部件进行设计,但是真正的目标却是向欧盟证明你确实在符合性方面尽了力。”EMA工具可生成一个符合性保证系统,据称可以跟踪产品从概念到符合性验证的整个过程。

  工艺变化

  在应对诸多RoHS设计挑战之外,工程师还必须明白这些RoHS符合性设计的制造流程。“设计工程师不再仅仅考虑产品的电气性能,”艾睿电子公司高级FAE Paul Peterson指出,“与过去相比,他们还必须更多地去考虑可制造性问题。”

  有铅与无铅产品在装配温度和加工能力方面有很大差别,PRTM的Chinn指出。由于许多公司无铅和有铅生产线并存,因此设计者必须确保在适当的位置选用适当的工艺,从而避免混淆,Chinn补充道。

  GoodBye Chain Group公司的Stone认为,“设计者应该知道无铅器件在制造时需要更高的温度。他们在设计电路时,还应该了解汞或六价铬替代品以及无铅焊料的性能特征。此外,还必须了解工艺温度和湿度敏感度等级。”

  要避免一些通常会随无铅工艺出现的问题,如破裂、分层和焊点可靠性差等,一个方法就是在产品成型之前确保电路板质量。另外,所有供应链合作伙伴需要就无铅环境进行相关的自我培训,从而有效区分什么是缺陷,什么不是。鉴别无铅环境中的实际问题是最难的一件事,Celestica公司负责印刷电路板的全球产品工程顾问Gail Auyeung认为。

  混合装配面对的最大设计挑战之一是传统元器件,包括已经符合RoHS但无法处理新工艺温度的电容与电阻,Celestica公司全球RoHS实现总监Joe Scala表示。“它们的额定温度还是老式的JEDEC标准230℃,而无铅工艺则要求260℃。”他说,“从RoHS角度看这些元件完全符合要求,但在使用锡银铜(SAC)合金的生产线上应用时却存在问题。”

  其它障碍包括材料选择、可靠性、电路板版图和焊盘尺寸,Stanvick指出。电路板在回流焊时需要获得额外支持,较高的温度将使它们更易翘曲。另外,还存在材料、认证和重新认证的成本障碍。

  更高的工艺温度还意味着会引发环氧玻璃布板温度、张力系数、热扩散等问题,Stanvick补充道。另外,施加于电路板上的热应力也会导致过孔破裂。

  还有一个需要提及的是电路板焊盘尺寸的改变。“无铅焊料不会到处流动,由于具有不同的冷却特性,在某些情况下可能会出现裸露的铜。”Stanvick解释说。工业组织IPC已经发布了IPC-610规范,其中包括设计者需要留意的一组最新检查标准。

关键字:时代  设计  优先  考虑

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/eda/200803/article_18100.html
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