RoHS - COMPONENTI GREEN

di Alessandro Gasperini



CONTENUTI



PREMESSA


Chi si diletta  di Elettronica
per hobby probabilmente non si e' accorto di nulla, ma se oggi ci recassimo presso un rivenditore di componenti elettronici per acquistare una resistenza o chip-integrato, ci verrebbe consegnato qualcosa di diverso da quello che avremmo ricevuto solo qualche mese fa.

Da un punto di vista elettrico i due oggetti sono sicuramente equivalenti, ma non da un punto di vista fisico.

Ma perche' questo?   Cosa e' successo ?

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LEGISLAZIONE

Per capirlo facciamo prima una breve introduzione legislativa, propedeutica per affrontare successivamente tutte le implicazioni tecniche introdotte in questi ultimi anni.

Con la Direttiva 2002/95/CE del 27 Gennaio 2003,  l'Unione Europea ha identificato alcune sostanze ritenute dannose per l'ambiente che devono essere eliminate da tutte le apparecchiature elettriche ed elettroniche nuove immesse nel mercato europeo a partire dal primo Luglio 2006.

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SOSTANZE PERICOLOSE



Le sostanze incluse nella direttiva sono: piombo, mercurio, cadmio, cromo esavalente, bifenili polibromurati (PBB) o etere di difenile polibromurato (PBDE).  

Senza scendere troppo nei particolari delle eccezioni, tante e molto articolate, sulle categorie di apparecchiature coinvolte che sulle concentrazioni ammesse (ad esempio, dopo tanto discutere, per il piombo si e' deciso per una concentrazione massima dello 0,1%), possiamo senza dubbio rilevare che il piombo, il PBB e il PBDE sono le sostanze che piu' hanno avuto impatto sulle aziende produttrici di componentistica per l'adeguamento alla nuova normativa.

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PROBLEMI NELL'ATTUAZIONE DELLA DIRETTIVA


Molteplici sono stati i problemi legati alla attuazione di questa direttiva specialmente a causa dell'eliminazione del piombo.

Basti pensare che esso e' largamente presente sia nella lega utilizzata per la saldatura che nei terminali stessi e, in qualche caso, anche nelle connessioni interne al corpo del componente.

I PBB e PBDE li troviamo invece nella fabbricazione del package.

Notevole e' stato l'investimento in risorse umane ed economiche dei centri di ricerca delle aziende produttrici impegnate alla risoluzione di tutte le problematiche incontrate.

Vediamo di puntare un'attimo la nostra attenzione sulla eliminazione del piombo e quindi di cio' che questo ha comportato.

Non poter utilizzare piu' questa sostanza ha significato per prima cosa trovare una nuova lega saldante alternativa, cercando ovviamente di stravolgere il meno possibile i processi attualmente utilizzanti con la vecchia lega saldante costituita da stagno e piombo.

Sono state prese in esame e testate varie leghe con diverse concentrazioni di componenti.

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NUOVA LEGA SALDANTE



La scelta e' ricaduta sulla SAC, una lega Stagno-Argento-Rame che ha presentato ottimi risultati dal punto di vista della affidabilita' nel tempo, della reiezione nella formazione dei "whiskers" (una sorta di erosione delle saldatura con formazione di baffi di stagno che potevano portare anche a falsi contatti nel tempo) e, probabilmente, con un punto di fusione il piu' vicino possibile alla vecchia lega Stagno-Piombo. 

Ma e' stato proprio quel diverso punto di fusione che ha innescato tutta una serie di nuove problematiche coinvolgendo tutte le case produttrici di componentistica in prima persona.

Infatti la SAC ha un punto di fusione di circa 217-221°C contro i 179-183°C della lega Stagno-Piombo con il conseguente innalzamento della temperatura nei forni utilizzati per i processi di saldatura.

Cio' ha portato diverse conseguenze di cui provo ad elencarne le piu' evidenti qui sotto.

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NUOVI COMPONENTI GREEN



I componenti devono soddisfare a nuovi piu' alti requisiti per la tolleranza alla temperatura.

I componenti devono soddisfare ad una nuova classificazione di "moisture sinsitivity level" per il fatto che, anche piccole concentrazione di umidita' presenti nel package, fanno si' che si possano creare sul corpo del componente delle micro fratture
alle piu' elevate temperature .

Riguardo a questo, molte case hanno trovato come soluzione di eliminare l'aria all'interno di alcune classi di componenti.

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NUOVE TECNICHE DI LAYOUT



Ci sono state delle implicazioni anche nelle tecniche di progettazione dei circuiti stampati per la realizzazione del layout della pcb.

Studi di ottimizzazione hanno rilevato come componenti piccoli (es. resistenze SMD) posti accanto a componenti piu' grandi (es. DC/DC Converter) tendono a raggiungere anche temperature di 260 gradi centigradi.

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COMPATIBILITA' CON IL VECCHIO


E per finire, non da ultimo, si e' dovuto anche affrontare il problema della possibilita' di utilizzare i componenti green con il vecchio processo di saldatura stagno-piombo.

Bisogna pensare infatti, che la transizione dal vecchio al nuovo non poteva ovviamente avvenire dall'oggi al domani, ma si rendeva necessario un periodo di tempo in cui le due tecnologie  potessero coesistere.

Cio' e' stato possibile con tutti i tipi di package tranne che per il formato BGA.

Per questo tipo di package, la connessione tra il chip e la PCB e' assicurata dal collassamento che la pallina di lega ha nel processo di saldatura, in particolare nella fusione del piombo che essa contiene.

L'assenza di questa sostanza, unito alla bassa temperatura del vecchio processo, fa si' che la connessione elettrica non venga piu' assicurata per un BGA green.

Per un certo periodo di tempo, molte case costruttrici forniranno i package BGA completamente  green ad esclusione delle palline di stagno che continuano a contenere il piombo per ovviare all'incoveniente menzionato (questo anche grazie alla Unione Europea che e' venuta loro incontro con delle eccezioni). 

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Note sull'Autore

Alessandro Gasperini
Senior Hardware Specialist
Email: alegas
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