Moderní elektronika a trendy na pocátku XXI. století Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. Vysoké Ucení Technické v Brne, Fakulta Elektrotechniky a Komunikacních Technologií, Ústav Mikroelektroniky, 602 00 Brno, Údolní 53, Ceská Republika, e-mail: szend@feec.vutbr.cz Polovodicové cipy jsou stále složitejší, roste pocet soucástek na cipu, a s tím roste i pocet vývodu. To vyžaduje stále sofistikovanejší rešení pouzder vcetne jejich propojení se systémem. Pouzdro již nepredstavuje jen ochranu cipu, ale musí zajistit i veškeré výkonové, elektrické a mechanické požadavky. Vše smeruje ke kompletnímu rešení systému na jediném cipu (System on Chip) nebo v jediném pouzdru (System on/in Package). První zpusob se zdá být komplexnejší, avšak soucasne i ekonomicky nárocnejší a méne flexibilní než druhý. To je duvodem proc v posledních létech dochází ke stále vetšímu uplatnování multicipových modulu (MCM) a dalším progresivním pouzdrum (CSP Chip Scale Package, WLP Wafer Level Packaging). Vývoj v tomto smeru smeruje k trojrozmerným pouzdrum oznacovaným krátce 3D. Pouzdrení a propojování (Packaging and Interconnection) se stalo jednou z nejaktuálnejších oblastí soucasné elektroniky. Základním zpusobem propojování je pritom technologická operace pájení. Pájky na bázi SnPb se využívají již více než pul století ve vetšine aplikací elektrotechnického a elektronického prumyslu. Pred nekolika lety bylo v USA olovo oznaceno za škodlivé pro lidské zdraví a byla vytvorena legislativa smerující k jeho omezování a vzápetí byla stejná cesta nastoupena i v Japonsku. V EU vstoupí od 1.7.2006 v platnost smernice zakazující používání olovnatých pájek u nových výrobku a narizující sledování vybraných škodlivých látek ve výrobcích. Jejich název je RoHS (Restriction of Hazardous Substances) a WEEE (Waste of Electronic and Electrical Equipment). Úvod Elektronika je v nekolika posledních desetiletích jedním z nejvýrazneji se rozvíjejících prumyslových odvetví. Její rozvoj se vyznacuje celou radou charakteristických rysu, jež vychází jak z neustálého vývoje nových technologií, tak i z nekompromisních požadavku trhu. Svet se otevrel, vzdálenosti se prekonávají stále rychleji, došlo k výraznému rozvoji rady odvetví jako napr. marketing nebo logistika. Vše se stále více podrizuje požadavkum trhu, zákazník se stal jedním z významných clánku urcujících další vývoj. Soucasné požadavky na elektronické systémy lze shrnout strucne následovne: poptávka je po produktech stále sofistikovanejších a dokonalejších, s menšími rozmery a hmotností, s líbivým designem a také s prijatelnou cenou. I když výcet požadavku ci jejich priorita se muže v elektronice lišit dle ruzných hledisek a konkrétních aplikací, je vývoj moderních elektronických systému urcen nekterými spolecnými znaky, jež lze pro blízkou budoucnost charakterizovat následujícími trendy: Polovodicové cipy budou základním prvkem elektronických systému a CMOS zustane v prubehu první dekády tohoto století základní a pravdepodobne i vudcí technologií pri jejich realizaci. Hlavním technologickým cílem bude zvyšování hustoty integrace a snižování ztrát energie tak, aby se parametry systému priblížily co nejvíce parametrum na cipech, a proto bude docházet i k výraznému pokroku v pouzdrení. Nové materiály a inovace v materiálových vedách budou mít stále duležitejší a hlubší význam, vzniknou nové struktury a funkcní bloky jež povedou kneustálé miniaturizaci, organické tranzistory a uhlíkové nanotrubicky jsou možným nástupcem soucasných polovodicových soucástek. V tržních mechanizmech i v technické praxi se budou stále výrazneji uplatnovat nové metody. V soucasné dobe lze považovat ve vývoji na polovodicových cipech za limitující nekteré skutecnosti, jimiž jsou predevším:
- zmenšování rozmeru stávajících polovodicových struktur nepujde pod rozmer velikosti atomu (za reálné rozlišení na cipu je považováno v dohledné budoucnosti 32 nm, které bude dosaženo díky použití extrémní ultrafialové litografie). - rychlost signálu neprekrocí 20 cm/ns. - pro elektrickou izolaci mezi prvky na cipu bude nutné pocítat s tlouštkou alespon nekolik nm. Snižování rozlišení na cipu z250 resp. 180nm na 130nm je možné díky stále dokonalejším laserum a cockám. Napr. pro výrobu procesoru Intel Pentium 4 a AMD Athlon využívá litografie ultrafialové zárení s vlnovou délkou 248 nm, jež umožnuje dosáhnout bežne detaily o šírce 130 nm, a dokonce i 90 nm. Princip takové optické litografie je znázornen na obr.1. V overovacím procesu je dnes již zarízení s vlnovou délkou 193 nm, jež by melo být sériove využíváno v blízké budoucnosti. Obr.1: Znázornení principu optické litografie pri realizaci polovodicových cipu Pro vlnové délky kolem 150 nm je již treba používat speciální cocky zmonokrystalického materiálu - fluoridu vápenatého, a další snižování vlnové délky stávající technikou je problematické. Byla proto zvolena cesta vývoje extrémní ultrafialové litografie (obr.2), v níž je zdroj zárení vytváren elektrickou excitací plynného xenonu. K úprave zárení se využívá speciálních zrcátek namísto cocek, což umožnuje zmenšení šírky cáry na približne 32 nm. Zavedení se predpokládá do roku 2010. Obr.2: Znázornení rozdílného principu extrémní ultrafialové litografie
Pouzdrení klícová oblast pro další integraci Pouzdrení v moderních elektronických systémech prošlo zásadním vývojem, jenž je charakterizován potrebou zvyšovat pocet vývodu pri minimálním zvyšování rozmeru pouzder. Jednoznacným cílem je priblížit rozmery pouzdra co nejvíce rozmeru cipu. Toho je dosahováno ruznými zpusoby a postupy, a proto pouzdrení prestalo mít unifikovaný charakter, jak tomu bylo dlouhá léta v minulosti. Výrobci polovodicových soucástek pouzdrili cipy do unifikovaných pouzder a uživatelé se museli pri realizací systému prizpusobovat. Tato situace se mení a o konecném pouzdrení stále ve vetší míre rozhoduje uživatel. Vývoj v pouzdrení je prehledne znázornen na obr. 3. Obr. 3: Vývoj pouzdrení a charakteristické typy pouzder Vývoj v pouzdrení elektronických obvodu je tedy veden snahou snižovat rozmery pouzder, což úzce souvisí s rešením vývodu, jejichž pocet naopak roste. Tvar a provedení vývodu je proto pro jednotlivé typy pouzder charakteristický. Dríve nejrozšírenejší vývody páskového tvaru používané u pouzder DIL (Dual in Line) a QFP (Quad Flat Pack) jsou postupne vytlacovány vývody kulového tvaru, jež se dnes používají u pouzder CSP (Chip Scale Package) a predevším u polovodicových cipu Flip Chip s prímým pripojením na substrát. Své místo vmoderní elektronice má i pripojení COB (Chip on Board), jež je z hlediska vlastního provedení velmi flexibilní. Snižování rozmeru u nejrozšírenejších typu pouzder je naznaceno na obr.4. 30mm Typ Plocha [mm 2 / %] 20mm QFP 900 / 100 TAB 400 / 44 15mm COB 225 / 25 CSP 115 / 13 10mm Flip Chip 100 / 11 Obr. 4: Znázornení úspory plochy ve vývoji vybraných typu pouzder
Stále složitejší integrované obvody a finální mikrosystémy vyžadují pro jednotlivé aplikace individuální prístup, aby byly splneny jak technické, tak ekonomické požadavky. Proto se elektronické produkty obycejne rozdelují z pohledu požadavku na konstrukci do šesti aplikacních kategorií: - výpocetní technika, - automobilový prumysl, - telekomunikace, - spotrební elektronika, - prumyslová a lékarská elektronika, - vojenský a letecký prumysl. Pro každou z techto oblastí jsou predepsány jiné požadavky, jež vyplývají zjejich použití resp. z priorit požadovaných jejich uživateli. Napr. pro telekomunikace a obecne pro prenos signálu je jedním z hlavních požadavku šírka pásma prenášeného signálu (ovlivnuje rychlost zpracování signálu), pro lékarské a letecké aplikace je to velmi vysoká spolehlivost, pro spotrební elektroniku pak nízká cena, malé rozmery a hmotnost. Zpetne však musí být brány v úvahu jak parametry cipu, tak také výrobní technologie spojené s ekonomickými aspekty (obr.5). Parametry pouzdrení Parametry cipu Požadavky systému Výrobní aspekty - rozmer - provedení - technologie - výkon - cena - koplanarita a osazování - rychlost - spolehlivost - pájitelnost - pocet vývodu - rozmery - testovatelnost Obr. 5: Základní hlediska volby typu pouzdra integrovaného obvodu Obecne mužeme v elektronických mikrosystémech rozlišit ctyri základní kategorie polovodicových soucástek charakterizovaných jako integrované obvody: - mikroprocesory (Microprocessor), - specifické (zákaznické) integrované obvody (Application Specific Integrated Circuit - ASIC), - pameti CACHE, - hlavní pameti. Napríklad osobní pocítac vetšinou obsahuje mikroprocesor, nekolik cache pametí (SRAM), ASIC obvody pro video a zvuk ( I/O, pameti, ovládání sbernice atd.) a hlavní pamet (ROM, DRAM). Mikroprocesory vyžadují pouzdra s poctem vývodu nekolik set až tisíc, které musí navíc vyhovovat co nejvyšším pracovním kmitoctum, dnes rádove až GHz. Lze predpokládat, že moduly SRAM jako cache pameti budou pracovat na stejných kmitoctech jako mikroprocesory. Cipy zarízení ASIC pracují s kmitoctem nekolika set MHz, pricemž ale požadovaný pocet vývodu je bežne až nekolik set, a dokonce i více než tisíc. A pro dynamické pameti, pro než platí v plné míre známý Mooruv zákon, kdy pocet tranzistoru na cipu se každých 18 mesícu zdvojnásobuje, probíhá neustálý vývoj jenž je provázen rovnež rostoucími požadavky na pocet vývodu. Z uvedeného je zrejmé, že jednotlivé kategorie se liší jak poctem vývodu, tak dalšími požadavky na rychlost, výkon atd. Proto je každá volba pouzdra pro konkrétní aplikaci kompromisem mezi naplnením technických požadavku pri dosažení minimálních nákladu. Ale ve vetšine prípadu je spolecnou snahou také dosažení co nejvetší efektivity pouzdrení, jež obecne smeruje ke splnení vetšiny požadavku (miniaturizace, dobré elektrické a mechanické vlastnosti, minimalizace ceny atd.). Jednou z cest k dosažení tohoto cíle je vývoj v oblasti multicipových modulu (MCM) a konstrukce nových typu trírozmerných pouzder (3D).
Soucasný vývoj pouzdrení mikrosystému ve svete se ubírá dvema smery, jež jsou oznacovány SoC (System on Chip) a SoP (System on Package). V prípade SoC se jedná o kompletní rešení systému na jediném cipu, tedy celý systém je vytváren na polovodicovém cipu predevším vakuovými technologiemi (difuze, iontová implantace, epitaxe, oxidace, naprašování atd.). V prípade SoP je systém sestaven z jednotlivých funkcních bloku na více substrátech (jež mohou být organické i anorganické), resp. ve více cástech s jednotlivými cipy, a do finální integrované podoby pouzdra jsou spojeny nevakuovými technologiemi (napr. pájením, lepením atd.). První zpusob lze považovat za komplexnejší rešení, avšak soucasne i ekonomicky nárocnejší a méne flexibilní než druhý. Trírozmerné struktury a pouzdra 3D Z požadavku na priblížení rozmeru pouzdra krozmeru cipu vyplývá nutnost rešení pouzder v trírozmerném provedení (3D). Dochází tak jednak k integraci aplikacních technologií (mikroelektronika, optoelektronika, fotovoltaika, mikrovlnná technika, mikroelektromechanické systémy MEMS atd.), ale i k integraci celých systému (pocítacové, telekomunikacní ci spotrební funkce v jednom). Prístup k rešení 3D struktur lze rozdelit do dvou základních oblastí: A. Kompaktní pouzdra montovaná prímo na nosný substrát, jež jsou tvorena napr. multicipovými strukturami (MCM) na keramických nebo laminátových podložkách. Pripojení techto pouzder je provedeno nekterým ze standardních typu vývodu ( J, L, BGA ) nebo jinými speciálními technikami. Výroba techto kompaktních pouzder je doménou specializovaných a zavedených výrobcu, a má charakter velkosériové produkce. B. Multisubstrátové struktury (MSM) jsou sestaveny z jednotlivých (dílcích) funkcních cástí, jež jsou flexibilne montovány na základní nosný substrát. Montáž se provádí nejen horizontálne ale i vertikálne, což vytvárí trírozmernou strukturu. Hlavní predností takového rešení je jednoduchá opravitelnost vcetne možných modifikací, nízká cena ve srovnání s kompaktními pouzdry a vysoká flexibilita v návrhu i výrobe. Pri návrhu konkrétní aplikace 3D struktury musí být vyrešena celá rada dílcích problému, které lze shrnout do následujících bodu: a) Rešení rozdílných teplotních soucinitelu délkové roztažnosti materiálu použitých komponent (CTE), predevším organické materiály vs. keramika nebo kremík. b) Rešení odvodu tepla resp. zajištení dobré tepelné vodivosti celého systému, predevším v souvislosti s rostoucí hustotou soucástek a s rostoucím kmitoctem. c) Zajištení dobrých elektrických vlastností minimalizací parazitních kapacit a indukcností nejen vývodu ale i propojovací struktury. V soucasné dobe je patentována celá rada provedení od ruzných výrobcu. Na obr. 6 jsou znázorneny dva ruzné typy 3D struktur, které patrí mezi levná provedení. a) b) Obr. 6: Dve ruzná provedení 3D struktury Provedení na obr. 6a je vytvoreno spojením keramických AlN substrátu, kde každý modul je hermeticky zapouzdren a propojení je provedeno nekolika vnejšími kulovými vývody pres distancní cást pájením pretavením. Provedení na obr.6b využívá hranové spoje na bocních úzkých stranách.
Jednotlivé substráty mohou využívat obe strany a jsou elektricky propojeny bocním vodivým polem s pomocí pájených spoju. Takový modul muže být dále pripojen jak pájením, tak drátkovým propojením. Na obr.7 jsou uvedena dve ruzná provedení využívající hranové propojení. V prvém prípade se jedná o spojení dvou FR-4 substrátu, v druhém pak o propojení FR-4 s keramikou. Pro vyrovnání rozdílu v koeficientech tepelné roztažnosti je použit FR-4 mezirámecek s hranovými spoji. Keramika FR4 rámecek Pájka Pájka FR4 - FR4 FR4 Obr.7: Ruzné zpusoby propojení substrátu s pomocí hranových spoju a) FR4 FR4 b) FR4 Al 2 O 3 Zvláštnosti použití bezolovnatých pájek Hlavní technologickou operací používanou pri propojování nejen substrátu je pájení. Zde byly dlouhou dobu aplikovány pájky na bázi SnPb, avšak jejich používání v budoucnu nebude možné. Dnes existuje již celá rada bezolovnatých pájek, avšak jejich vlastnosti a zpusob použití nejsou zcela shodné s SnPb pájkami. Nejrozšírenejší bezolovnatou slitinou je SnAg prípadne SnAgCu, u nichž dosavadní zkoušky naznacily, že mají dobré elektrické i mechanické vlastnosti a svými parametry se nejvíce blíží slitinám SnPb. Zásadní, i když zdaleka ne jedinou odlišností je u bezolovnatých pájek zpravidla vyšší bod tavení. Zatímco SnPb pájky dosahují tekutého stavu (liquidu) pri teplote 179 C (Sn62Pb38), u nejrozšírenejší slitiny SnAg resp. SnAgCu nastává tento stav v rozmezí teplot 217 C 221 C, v závislosti na presném složení pájky. Další skutecností je, že tyto bezolovnaté pájky mají rovnež vyšší povrchové napetí v pájce, a tudíž se hure smácí, a následne také chemické procesy probíhající v prubehu pretavení pájky jsou odlišné. a) b) c) d) Obr.8: Fázový diagram slouceniny SnAgCu (a) a pohled na oblast využívanou pro pájení (b) a existence intermetalických slitin Cu 6 Sn 5 a Ag 3 Sn (c) resp. Ni 6 Sn 4 (d)
Degradacní úcinky intermetalických vrstev vznikajících u olovnatých pájek mezi Sn a Cu jsou všeobecne známy a jsou známy i technologické faktory které je ovlivnují (tlouštka Cu, složení pájky atd.). Vzniklá depleticní vrstva a její rust, pri nemž muže dojít až k úplnému spotrebování medi, se výrazne podílí na životnosti a spolehlivosti pájených spoju. Tento proces probíhá ve všech pájených spojích a je urychlován zvýšenou teplotou. Zpusobuje s postupem casu zhoršování elektrických vlastností až do stavu odpovídajícímu studeným spojum. Na obr.8 je znázornen fázový diagram ternární slitiny SnAgCu. Z nej je patrný nejen vyšší bod tavení, ale i skutecnost vzniku další intermetalické slitiny Ag 3 Sn (obr.8c), jež muže výrazne ovlivnit konecné vlastnosti zapájeného spoje, predevším pak jeho životnosti. To se muže projevit po urcitém case na životnosti spoju a spolehlivosti celého systému. Vznik a pusobení intermetalických slitin v pájeném spoji je složitý chemický proces který muže výrazne ovlivnit také povrchová úprava pájecích plošek. Napr. oblíbená vrstva NiAu, jež prokazatelne zlepšuje pájitelnost, používaná jako jedna z možných úprav medených plošek na deskách plošných spoju, vytvárí další intermetalickou slitinu Sn 3 Ni 4, která se muže rovnež výrazným zpusobem podílet na vlastnostech spoje a jeho stárnutí. Reakce Ni s Cu je mnohem pomalejší než v prípade Sn, takže lze predpokládat výrazné prodloužení životnosti spoju. Je však jisté, že u bezolovnatých pájek je proces tvorby intermetalických slitin ješte složitejší než u pájek olovnatých, což potvrzuje rada prozatím rozporuplných výsledku z urychlených zkoušek. Skutecné vlastnosti bezolovnatých pájek budou známy až dlouhodobým overením ve skutecném provozu. Navíc v procesu pájení pusobí celá rada faktoru, jejichž významnost není jednoznacne definována a muže se pro jednotlivé prípady menit. Tato skutecnost vyžaduje dlouhodobé overování a sledování jehož cílem je optimalizace procesu pájení. Požadavky na tepelné zpracování bezolovnatých pájek Vzhledem k tomu, že proces pretavení bezolovnaté pájky probíhá v daleko užším rozsahu teplot než je tomu u klasických olovnatých pájek, musí být také jeho kontrola dukladnejší. To vyžaduje, aby pájecí vlny ci pece pro pájení pretavením umožnovaly mnohem presnejší nastavení teploty, než je tomu u olovnatých pájek. K tomu lze prispet obecne tremi zpusoby: - použitím pece s presným a dokonalým systémem regulace teploty, - použitím ochranné (dusíkové) atmosféry, - použitím nových metod - pájení v parách a selektivní pájení. V prípade pájení pretavením je proto vhodné použít pece s urychleným proudením, které mají alespon pet samostatne regulovatelných zón, což umožnuje dukladnejší nastavení i kontrolu samotného teplotního profilu predevším v rozsahu teplot 220 až 260 o C (pri nárustu teploty nad 250 o C narustá nebezpecí poškození desek a soucástek). Duležité pro jakost spoju je také dosažení minimálních teplotních gradientu na pájených substrátech v prícném i v podélném profilu pece. 220 C Obr.9: Procesní okno pro pájení olovnatými a bezolovnatými pájkami.
Jednotlivé typy pájecích past mají predepsánu urcitou maximální teplotu pretavení (pro jedno z možných složení SnAgCu je to napr. 242 o C), která je ješte navíc omezena casem nad teplotou liquidu pouze na nekolik sekund. Casový limit je neprímo úmerný teplote (napr. 10s pri 235 o C, 30s pri 220 o C atd.). Tyto údaje vychází z výsledku zkoušek životnosti a nedodržení muže mít za následek zmenu vlastností pájených spoju, predevším pak elektrických a mechanických parametru v prubehu stárnutí. Proto je bezpodmínecne nutné se rídit doporucením výrobcu past. Na obr.9 je znázorneno procesní okno pro olovnaté a bezolovnaté pájky, z nehož jsou zrejmé bbbb povoleným mezím teplotní odolnosti komponent a podporuje stárnutí (degradaci) materiálu. Rada dodavatelu bezolovnatých past rovnež doporucuje pájení v ochranné atmosfére, kterou tvorí predevším dusík. Ten redukuje tvorbu oxidu v pájeném spoji, a tím výrazne podporuje lepší smácivost pájeného povrchu. V pájecím procesu lze pak použít menší obsah tavidla, jehož pusobení je ochranou atmosférou podporeno (je potlacena oxidace). V dusledku techto skutecností ochranná atmosféra prispívá k dosažení vyšší jakosti pájených spoju. Použití pájení v parách prodelalo v posledních létech vývoj, jehož výsledkem jsou ekologicky cisté pájecí procesy s velmi stabilním teplotním profilem. Stabilní prostredí tvorené odparenou kapalinou dává predpoklady pro zajištení nulového gradientu teploty v celém pájecím prostoru, avšak masovejšímu využití brání ekonomické aspekty. Kapacita techto zarízen je oproti pecím s konvencním proudením omezená a provozní náklady vychází o poznání vyšší než u pecí s konvencním proudením horkého vzduchu. Pájení pretavením prochází neustálým vývojem, jehož modernizace spocívá nejen v systému urychleného proudení, ale i v dalších konstrukcních zlepšeních, které zahrnují predevším: zvetšení poctu pretavovacích zón a zmenu v konfiguraci techto zón redukci celkové délky pece zlepšené možnosti centrování desky selektivní pájení Selektivní pájení spocívá ve velmi presném selektivním nanášení tavidla, predehrevu a následném lokálním ohrevu pouze místa, kde má vzniknout na substrátu pájený spoj. Prenos tepla nastává selektivne nebo paralelne podle zvolené koncepce zarízení. Predností je omezení nebezpecí vzniku zkratu predevším pri malých roztecích (napr. u konektoru), menší tepelné namáhání soucástek a také možnost regulace tepelné energie podle velikosti soucástek. Další skutecnosti tvorí požadavky na ekologické výroby. Je to napr. oddelení sberu tavidla, které musí být z pece odstraneno pri používání dusíkové atmosféry se zavádením norem rady ISO 14000. Podobne je vyžadován také systém i pro technologii pájení pretavením bez ochranné atmosféry pro zamezení úniku tekavých látek do ovzduší. Ekologické aktivity jako nezbytná cást soucasné elektroniky V technologické oblasti elektrotechnického a elektronického sektoru, ale i v ostatních prumyslových odvetvích, došlo v posledních letech k obrovskému rozvoji. Nové materiály a technologické postupy však soucasne mohou ovlivnit a v rade prípadu již ovlivnují zdraví a životní prostredí. Proto je zákonitá snaha získat pod kontrolu tyto nové skutecnosti související s nove nastávajícími jevy, jež zpusobují nepredvídané chemické reakce ovlivnující životní prostredí. V souvislosti s elektrotechnickým a elektronickým prumyslem se jedná o následující látky: - Chlorfluorcarbony (CFC s) ovlivnující ozónovou depleticní vrstvu - Olovo (Pb) jež má prímý negativní vliv na lidské zdraví - Tekavé organické slouceniny, jež se podílejí na atmosférických fotochemických reakcích - Nebezpecný elektrotechnický odpad mající negativní dopad na kontaminaci pudy a vody (odložené televizory, monitory, baterie atd.). Jedním z nejcasteji užívaných materiálu je olovo. Používá se pri výrobe skel a emailu, v náterových substancích, v bateriích, v kabelech a predevším v pájkách. Bylo prokázáno, že
kumulativní prítomnost olova v lidském tele pusobí jako jed, ponevadž jeho zvyšující se dávka v lidském tele zpusobuje neklid, nevyváženost reakcí a poškození až vyrazení životních funkcí. To se nejprve projevuje negativne na nervovém systému a neschopnosti regenerace, což je duvodem, proc jednou z hlavních soucasných aktivit je odstranení olova z elektrotechnických a elektronických výrobku. Prioritním úkolem je nahradit olovnaté pájky novými pájecími slitinami bez obsahu olova. Strucne lze tuto situaci shrnout následovne: vznikají ekologické organizace, mající za sebou nové predpisy EU a na druhé strane stojí výrobci a uživatelé, kterí se mohou obávat, jak to vše zvládnou a co je to bude stát. Tuto situaci lze cástecne prirovnat k zacátku 90tých let, kdy vstoupil v platnost zákaz používání CFC a ostatních látek pro cistící procesy v elektronice, protože ovlivnovaly ozónovou depleticní vrstvu Zeme. Po približne deseti letech prichází podobná situace s pájkami, jež je však na rozdíl od cistení o to závažnejší, že pájky tvorí nedílnou funkcní cást témer všech elektrických a elektronických výrobku. Co vlastne WEEE a RoHS znamená Evropské smernice WEEE 2002/96/EC a RoHS 2002/95/EC jsou závazné pro všechny clenské státy EU a jsou známy od jejich schválení v létech 2002 3. V soucasné dobe jsou v ceské verzi predkládány ke schválení do parlamentu, takže lze v blízké dobe ocekávat jejich oficiální vydání. Obe tyto smernice sledují zajištení zdravého životního prostredí a tím i zdravé budoucnosti lidstva (tzv. Green Future), na cemž se podílí také zavedení bezolovnatého pájení. WEEE a RoHS byly schváleny a vydány Evropským parlamentem a jsou závazné pro všechny clenské zeme Evropské unie, vcetne CR. Smernice WEEE znamená Waste Electrical and Electronic Equipment, což lze interpretovat jako Odpad elektrických a elektronických zarízení. Cílem je redukovat narustající množství odpadu z techto výrobku v prostredí, a to recyklací a zpetným zpracováním. Tím se zmírní negativní dopad na životní prostredí. Charakteristické pruvodní rysy vyplývající z této smernice jsou: - Veškeré náklady na sber a manipulaci s odpady z elektrických a elektronických výrobku nese výrobce - Tyto náklady mohou být vedeny individuálne nebo mohou být spojeny s nejakým spolecným projektem - Výrobce je povinen pri uvádení nových výrobku poskytovat financní garanci na jejich zpetné odebrání a likvidaci - Výrobce elektrických a elektronických zarízení musí garantovat recyklaci co možná nejvetšího objemu svých výrobku - Každá zeme Evropské unie musí vytvorit systém pro sledování a zajištování zpetného odberu elektrických a elektronických zarízení a musí garantovat a vykazovat minimálne 4kg trídeného odpadu na obcana do konce roku 2006 - Výrobce bude muset opatrit každý výrobek informací o likvidaci a o sberném míste - Uživatel bude predávat nefunkcní výrobky na urcené sberné místo bezplatne Smernice RoHS je vytvorena za úcelem omezení nebezpecných látek v elektrických a elektronických zarízeních. Cílem tohoto predpisu je: - Sjednocení již existujících norem a predpisu o používání ruzných látek pri výrobe a provozu elektronických a elektrotechnických výrobku - Podporit racionální využívání surovin, vcetne dodavatelských vztahu - Snížení objemu nebezpecných látek a materiálu v odpadu - Zlepšení a zkvalitnení recyklacních procesu - Podporit a dále rozvíjet predpisy WEEE Jedná se o 17 chemických látek s prokazatelne škodlivým vlivem na lidské zdraví: - Benzen - Kadmium a jeho slouceniny - Carbon Tetrachloride - Chloroform - Chróm a jeho slouceniny - Kyanidy
- Dichlormethan - Rtut a její slouceniny - Methylethylketon - Nikl a jeho slouceniny - Tetrachlorethylen - Toluen - 1,1,1-trichlorethylen - Trichlorethylen - Methyl isobutyl keton Bylo rozhodnuto, že státy Evropské unie omezí používání olova, rtuti, kadmia, šestimocného chrómu, polybrombifenylu (PBB) a polybromdifenyletheru (PBDE), resp. musí tyto materiály v elektrotechnických a elektronických výrobcích od 1. 7. 2007 nahradit. Elektrické a elektronické zarízení jsou definována jako zarízení využívající pro svoji funkci napájení elektrickým proudem nebo vyzarující elektromagnetické pole a navržená pro pracovní napetí nepresahující 1000 V strídavého nebo 1500 V stejnosmerného napetí. Povinnost zpracovávat hlášení V clánku 13 smernice WEEE 2002/96/EC z 27. ledna 2003 je deklarován zpusob evidence a vypracování zprávy pro dokumentaci. První zpráva musí být zpracována do trí roku od zavedení v platnost, to je po 1. lednu 2006. Tato zpráva bude zaslána clenským státum a bude zprístupnena komisi k hodnocení a schválení. Príloha IA smernice WEEE 2002/96/EC uvádí kategorie elektrických a elektronických zarízení následovne: 1) Velké domácí spotrebice 2) Malé domácí spotrebice 3) IT a telekomunikacní zarízení 4) Spotrebitelské zarízení 5) Osvetlení 6) Elektrické a elektronické náradí (s výjimkou rozsáhlých neprenosných prumyslových stroju) 7) Hracky, sportovní vybavení a zarízení pro volný cas 8) Lékarské prístroje (s výjimkou všech implantovaných a infikovaných produktu) 9) Monitorovací a kontrolní prístroje 10) Automaty Podrobná specifikace jednotlivých kategorií se nachází v príloze IB této smernice. V príloze smernice 2002/95/EC se nachází seznam výjimek pro olovo, rtut, kadmium a šestimocný chróm. Tyto slouceniny mohou být použity v následujících aplikacích: Rtut Olovo - kompaktní fluorescencní lampy max. 5 mg na lampu - prímé fluorescencní lampy pro bežné úcely, max. na lampu: halogeno-fosfátové 10 mg trifosfátové s normální životností 5 mg trifosfátové s prodlouženou životností 8 mg - prímé fluorescencní lampy pro speciální úcely - lampy nespecifikované v této príloze - skla elektronických soucástí, katodových a flourescencních obrazovek - ve slitinách: ocel-olovo 0,35 % hliník-olovo 0,4 % med -olovo 4,0 %
- v pájkách s vysokou teplotou tání - pájky v serverech a zálohovacích zarízeních (výjimka do roku 2010) - pájky pro sítové prvky potrebné k prepínání, signalizaci a prenosu dat - v elektronické keramice, napr.: piezoelektrika Kadmium - pokovování krome v aplikacích zmínených ve smernici 91/338/EEC pozmenující smernici 76/769/EEC Šestimocný chróm - antikorozant uhlíkové oceli v chladících systémech chladnicek V rámci postupu zmíneného v clánku 7(2) smernice 2002/95/EC, bude komise hodnotit: - Množství BDE v retardérech horení používaných v plastech - rtuti v prímých fluorescencních lampách pro speciální použití - olova v pájkách pro servery, zálohovacích zarízení a sítové prvky - žárovky Co delat a jak zacít Na zacátku se setkáváme s otázkou: Jak zacít s realizací smernic WEEE a RoHS? Stejne jako byl pred lety docházelo k implementaci jakosti do výrobního sektoru, a systém jakosti TQM (Total Quality Management) se stal nedílnou soucástí aktivit v rade firem, bude muset být aplikována stejná procedura i v prípade ekologických požadavku definovaných v uvedených normách. Jedním z nástroju vedoucích k naplnení ekologických požadavku ve výrobe je EMAS (The Eco-Management and Audit Scheme), jenž usnadnuje organizacím z prumyslového sektoru hodnotit, sledovat a zlepšovat jejich environmentální strategii (http://europa.eu.int/comm/). Z pohledu predpisu EU je tedy nezbytné podniknout systematické ale pritom rázné kroky, a z nich vyvodit vyplývající nezbytné zmeny týkající se rezortu výrobních technologií, systému jakosti a bezpecnosti príslušných firem. Pritom je bezpodmínecne nutná podpora predevším ze strany managementu firem, odkud musí vyjít technické i ekonomické rešení techto požadavku. Obecný prístup k této problematice je znázornen na obr. 10. Pokud došlo ve firme k prvním krokum v tomto smeru a technologické postupy ve výrobních procesech odpovídají požadavkum na materiály a jejich zpracování, je užitecné zacít s adaptací na smernice Evropského parlamentu a pripravovat administrativní podklady, pokud ješte nedošlo k modifikaci procesu, potom je nezbytné se tímto neprodlene zabývat. J e firm a p rip rav en a n a im p lem en tac i W E E E a R oh S? A N O N E M o d ifik ac e p ro ce su W E E E R o H S O s vob o zen í ( výj im ky), p lá n y, do ku m en tac e Obr.10: Proces implementace ekologické legislativy
Záver Protože Ceská Republika je clenem Evropské Unie, musí prijmout a implementovat smernice vydané Evropským Parlamentem. Pro elektrotechnický a elektronický sektor to jsou: - WEEE recyklace a ekologická likvidace elektrotechnických a elektronických zarízení - RoHS omezení používání nebezpecných materiálu v elektrotechnice - EUE ekologický návrh elektrotechnických a elektronických zarízení (v príprave) Literatura WEEE and RoHS Directives of European Union, Issued from European Parliament, 2002-3, http://europa.eu.int/comm/environment/waste/weee_index.htm Podekování Tento príspevek je zpracován s podporou výzkumného zámeru Ministerstva školství CR v rámci projektu MSM 262200022 MIKROSYT Mikroelektronické systémy a technologie, grantového projektu GACR GA102/04/0590 Vývoj elektronických montážních technologií pro 3D systémy a tendru EU Promoting Eco-design Activities in the SMEs of the Electrical/Electronics Sector.