進入後RoHS時代需有不同的設計優先考量

在歐盟針對六種會讓環境造成污染的有害物質發佈禁令生效三個月後，設計工程師已經深刻領悟到，若未能符合限制使用有害物質的規定也就意味著失去市場。

Palm公司最近宣佈不再對歐洲出售Treo 650智慧型電話，因為該產品無法滿足RoHS的要求。基於相同的原因，蘋果電腦公司的多種產品也將在歐洲停止銷售。根據AppleInsider的6月份報告透露，這些產品包括了iSight網路照相機、具數據機的AirPort基地台、AirPort基地台乙太網路供電設備和天線、iPod Shuffle外接電池組，以及各種版本的eMac全功能桌上型電腦。不過，最新一代的iPod、iPod Nano和iPod Shuffle都符合了RoHS的規定。

今年7月1日起生效的歐盟指令涵蓋了鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯苯、多溴二苯醚這六種物質。全球的電子設備供應商們在針對歐洲市場開發的幾乎所有產品都不再使用這些物質，同時在其製造製程中也必須符合無鉛化環境的要求。

不過這還只是個開始。包括中國、台灣、韓國，以及美國某些州也在制訂他們自己的‘綠色’或類似RoHS的法規。因此，RoHS相容性將成為設計者在開發過程中的完整部份，在概念、開發、原型、試產和量產的各個階段都必須進行RoHS檢查。

從尋找取得認證的綠色元件庫到致力於證明其相容性，以及開發能夠滿足無鉛製造所需的更高溫度要求都是必須關注的重點。對於設計者來說，這些還只是冰山一角。在無鉛電路板處理和焊接過程中仍有大量艱鉅的技術與可靠性問題必須解決。否則，像錫鬚和銅分解等難題將干擾製造過程，甚至必須重做。(錫鬚增多與電氣短路引起的故障有關；銅分解則會影響焊接的可靠性)。

設計鏈協會資深副總裁Ken Stanvick把這種現象歸結為設計RoHS相容系統時缺乏“專業知識”。“我們在鉛製系統方面擁有豐富的技術，但對於無鉛系統則尚未建立同等程度的技術。”他說，“在每個問題解決之前，都會歸咎於無鉛製程。我們需建立可模擬真實環境的相關測試，並找出新系統中將會出現的各種問題。”

EMA設計自動化公司總裁兼執行長Manny Marcano對過時元件的影響作了說明，包括必須重新設計舊式產品，並把重點放在元件工程所需的概念設計成本。其關鍵是在設計過程中必須儘早確認RoHS的設計規格，他指出。

但在設計者瞭解這一點之前，他們必須先認清自己是否設計一款完全相容的產品，或者是免檢產品，諮詢公司PRTM總監Robert Chinn表示。“這將反映到設計參數上。”他說，“過去設計者多根據尺寸、性能、電氣參數、性能和功能來設計元件。現在他們必須增加一項可提升環境相容性方面的新要求：是相容於RoHS 6呢或RoHS 5呢？”(RoHS 6元件不能使用所有6種禁用物質，而RoHS 5模型由於免受檢仍可含鉛。)

如果設計者未能謹慎看待RoHS指令，那麼任何能夠證明產品不符合RoHS的國家都可以對供應商進行罰款。這麼一來，將會影響到市場佔有率，Marcano指出。因為產品不符合相容性的公司將會失去其競爭力。未能對此先行作好準備也意味著使資源轉向RoHS相容性的時間延誤，通常會導致喪失市場機會。因此，“為了減少下游的風險，工程師必須在概念設計階段就需先舉例並說明與該設計有關的相容性資料。”Marcano指出。

但許多業界觀察人士相信，在主要的大型公司未被指出不符合RoHS規定之前，一般中小型規模的公司對RoHS的轉換仍會持冷漠態度。“當問題暴露時，整個產業將發生強烈動盪，也將喚醒每一位設計工程師。”在美國負責經銷商RoHS相容性計劃的Avnet Logistics公司策略規劃與通訊總監Steve Schultz表示。

產品開發人員對RoHS的關注在於擔心流失營收，原因包括產品禁用、公司無法提供用戶所需的RoHS相容產品或競爭，顧問公司GoodBye Chain Group的管理總監Harvey Stone表示。“在價格、品質和服務處於同一水準的情況下，明智的客戶將會選擇符合RoHS的產品。”他說道。

同時，設計者也許會忽略其他幾種可能更嚴格的環境規則，其中包括歐盟對化工產品的註冊、評估和授權法，該法限制使用數千種化學物質，以及最初目標在要求能源效率的能源利用產品(EuP)規定。

“EuP的嚴格要求和複雜度比RoHS和歐盟廢棄電子與電氣設備指令(WEEE)更高，”Stone指出，“它也將為設計者帶來更大的問題，因為他們在設計新產品時還必須考慮更多的環境參數。”

如果這些新的環境規則為全球業務和全球供應鏈帶來了更多挑戰，那麼它們也會一如既往地驅動設計階段的變化，業界人士表示。

圖1：在層壓材料上進行無鉛製程測試常出現的一個典型缺陷：脫層，有時雖然問題不明顯，但仍很嚴重

“為了減少環境問題，RoHS正走向產品生命週期的設計階段，要求設計者在設計時盡可能不用那6種危害性物質。”Stone指出。為了做到這一點，他們還必須考慮其他設計標準，包括外形、裝配、功能、成本和可銷售性，他說道。“在許多情況下，這還是設計者第一次在設計中將毒性要求作為設計參數。”

如今毒性可能是最重要的環境參數了，但在不久的將來，設計者還必須考慮能源效率、產品的可回收性、回收內容的數量，以及材料精簡等問題。

許多設計者(特別是小型公司)的相容性設計才剛起步。“無論是否具備RoHS的相容性，都必須要從一開始就成為產品的一項要求，因為從那時起設計者要做的每件事都得支持這個決定。” Design Chain Associates的Stanvick指出。

在第一個步驟中所面臨的挑戰是要確定產品是否屬於RoHS指令所規範的範圍；如果不是，那麼它便能免受這一指令的約束。一家目錄經銷商Newark InOne公司行銷總監Joanne Volakakis說，一些用戶仍然在詢問他們是否必須符合RoHS。“通常中小型規模公司的工程師較不清楚這方面的要求。”她說。

同樣值得關注的是，RoHS提供許多優勢的同時也帶來了難題。Stanvick認為，製造商可以透過改善製程來保持一致性，並透過減少材料來節約成本。“例如，使用回收塑膠的成本比使用新塑膠平均低80%，”Stanvick說，“如果前端做得很好，那麼下游的每項工作將變得更容易。”

經銷商的現場應用工程師(FAE)可以幫助客戶實現RoHS的轉換，但他們必首先須接受機械和製造問題方面的培訓，Arrow Electronics公司工程總監Theron Makley認為。FAE通常是根據電子規格向客戶推薦產品的電子工程師。“由於這種RoHS的變化，我們必須培訓我們的工程師，讓他們能熟練指導用戶掌握RoHS的製造方法，使客戶明白製程轉換時可能存在的問題。”Makley表示。

成功的轉換需要正確設計方法學的支援，並能有助於設計者從元件選擇到相容性驗證的各個方面都能符合強制性要求。該類型產品已經開始上市。EMA公司的工程資料管理系統就是其中一個例子，它透過可在本地或全球展開部署的設計來強化其相容性。

雖然特定的設計自動化工具用法非常重要，但工具組的實際部署和建置則是成功的關鍵，EMA公司的Marcano表示。“任何人都能採用相容性元件來進行設計，但真正目標是能夠證明設計者確實在相容性方面完成了大量強制性的認證工作。”EMA工具所產生的相容性保證系統據稱可以從概念一直到相容性驗證追蹤整個產品的過程。

製造流程改變

在因應RoHS的各種設計挑戰之際，工程師必須明白他們的RoHS相容性設計是如何製造的。設計工程師“不再只是考慮設計電子性能，”Arrow Electronics公司資深FAE Paul Peterson指出，“他們還必須考慮更多可製造性問題。”

有鉛與無鉛在裝配溫度和製程能力方面存在很大的差別，PRTM的Chinn表示。由於許多公司都是無鉛和有鉛生產線並存，因此設計者必須確保採用正確的製程，並且在製造過程中不發生錯亂，Chinn補充道。

GoodBye Chain Group的Stone認為，設計者“應該知道無鉛元件在製造時需要更高的溫度。因此他們在設計電路時就應該瞭解汞或六價鉻的替代品，以及無鉛焊料的性能特徵。他們還必須瞭解製程溫度和濕度靈敏度。”

圖2：阻焊層缺陷是另外一個常見的問題

要避免無鉛製程常出現的問題，如破裂、脫層和接點可靠性不佳等，必須確保在產品成型之前進行板級認證。另外，所有供應鏈合作夥伴也必須針對無鉛環境議題進行自我培訓，才能有效地區分什麼是缺陷，什麼不是。認清環境中的實際問題是最難的一件事，Celestica公司印刷電路板的全球商品工程顧問Gail Auyeung認為。

在混合裝配方面，最大的設計挑戰之一在於傳統的元件，包括已經符合RoHS但無法處理新製程溫度的電容器與電阻，Celestica公司全球RoHS建置總監Joe Scala表示。“它們的標準溫度還是舊式的Jedec標準230℃，但無鉛製程要求的是260℃。”他說，“從符合RoHS的觀點來看，這些元件沒什麼問題，但在採用錫銀銅(SAC)合金的生產線上應用時仍有問題。”

其他障礙還包括材料選擇、可靠性、電路板版圖和焊盤尺寸，Stanvick表示。電路板在回流焊接時還需要額外的支援，更高的溫度會使它們更易翹曲，他指出。此外，還存在著材料、認證和重新認證的成本問題。

更高的製程溫度還會引發電路板上使用環氧化物的耐熱玻璃溫度問題，以及膨脹係數、熱分解等問題，Stanvick表示。另外，施加於電路板上的熱應力也會引起過孔產生破裂，他說。

另外還存在電路板上焊盤尺寸的變化問題。“無鉛焊料不會到處流動，在某些情況下可看到裸露的銅，因為它具有不同的冷卻特性。”Stanvick說。業界組織IPC已經發佈了IPC-610規格，其中有許多設計者必須知道的檢查標準，他表示。

作者：羅吉娜