在歐盟RoHS指令禁止使用六種會讓環(huán)境造成污染的有害物質(zhì)生效三個月之后，設計工程師們已經(jīng)深刻意識到：不滿足該禁令就意味著將失去市場。

Palm公司最近宣布不再對歐洲出售Treo 650智能電話，因為該產(chǎn)品無法滿足RoHS要求。而基于相同原因，蘋果電腦公司的多款產(chǎn)品也將在歐洲停止銷售。根據(jù)AppleInsider網(wǎng)站6月份的報告，這些產(chǎn)品包括iSight網(wǎng)絡照相機、帶調(diào)制解調(diào)器的AirPort基站、AirPort基站以太網(wǎng)供電設備和天線、iPod Shuffle外接電池組和所有版本的eMac一體化臺式電腦。不過最新一代iPod產(chǎn)品iPod Nano和iPod Shuffle都滿足RoHS要求。

歐盟RoHS指令涵蓋了鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚這六種有害物質(zhì)。全球的電子設備供應商在面向歐洲市場推行新產(chǎn)品時，都在努力避免使用上述有害物質(zhì)，同時還要調(diào)整其制造工藝來適合無鉛化環(huán)境要求。

不過這還只是個開始。目前，中國大陸、臺灣地區(qū)、韓國和美國某些州都在制定自己的“綠色”或類RoHS法規(guī)，這意味著符合RoHS標準將成為設計人員開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，因為在概念、開發(fā)、原型、試制和量產(chǎn)各個階段都必須進行RoHS檢測。

從尋找符合條件的綠色元器件庫，到努力證明符合RoHS指令，以及開發(fā)工藝能夠滿足無鉛制造所要求的更高溫度等等，這些都是工程師需要關(guān)注的重點。不過對于設計人員來說，這還只是冰山一角。在無鉛電路板加工和焊接過程中，仍有大量使人困擾的技術(shù)和可靠性問題需要解決。否則，像錫須和銅分解等難題將干擾制造過程，甚至引起返工。(錫須增長會導致電氣短路從而引起故障；銅分解則會影響焊點的可靠性。)

正如美國設計鏈協(xié)會(DCA)高級副總裁Ken Stanvick所言，之所以會產(chǎn)生如此多的問題，原因在于設計RoHS符合型系統(tǒng)時缺乏“專業(yè)知識”。“我們在鉛制系統(tǒng)加工方面積累了豐富的專業(yè)知識，但對于無鉛系統(tǒng)我們的知識卻相對薄弱。”他說，“每個問題在得到解決之前都會遷怒于無鉛工藝。我們需要進行多個可以反映真實環(huán)境的測試，并找出新系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種問題。”

EMA設計自動化公司總裁兼CEO Manny Marcano指出了部件報廢所帶來的影響，其中包括需要重新設計已有產(chǎn)品，并在方案設計開支計劃中重點關(guān)注元器件工程。關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于設計過程中必須盡早確定RoHS設計規(guī)范，他指出。

但設計者在確定規(guī)范之前，一定要知道自己設計的產(chǎn)品是需要完全符合RoHS，還是可以得到部分豁免，咨詢公司PRTM總監(jiān)Robert Chinn表示。“這將反映到設計者的設計參數(shù)中去。”他說，“以前他們是根據(jù)尺寸、性能、電氣參數(shù)、性能和功能對器件進行取舍。現(xiàn)在他們必須增加有關(guān)環(huán)境兼容性方面的新要求：是符合RoHS 6呢還是符合RoHS 5？”(符合RoHS 6的器件不能使用所有6種禁用物質(zhì)，而在RoHS 5模型中仍然可以使用鉛。)

如果設計者沒能認真對待RoHS指令，那么任何一個證明其產(chǎn)品不符合RoHS的歐盟國家都可以對該供應商執(zhí)行罰款。這會影響市場份額，以為不符合RoHS的供應商會由此失去競爭能力，Marcano指出。沒有作好準備則意味著向RoHS符合性轉(zhuǎn)變的腳步會有所延遲，從而喪失市場機會。

這么說的意義何在？“為了減少下游風險，工程師需要在概念設計階段就列出符合性數(shù)據(jù)。”Marcano指出。

但是許多業(yè)內(nèi)觀察人士認為，中小型公司對RoHS轉(zhuǎn)變將一直持漠視態(tài)度，直到一些主要的公司由于不符合RoHS而受到懲罰。“當問題暴發(fā)時，整個產(chǎn)業(yè)將發(fā)生一場動蕩，每一位設計工程師在這時將有所感悟。”Avnet Logistics公司策略規(guī)劃與通信總監(jiān)、負責美國分銷商RoHS符合性工作的項目經(jīng)理Steve Schultz表示。

產(chǎn)品開發(fā)者對RoHS的關(guān)注原因主要圍繞在以下幾點：害怕產(chǎn)品禁用帶來收入損失，害怕公司無法提供用戶需要的RoHS符合型產(chǎn)品，還有一點就是競爭，咨詢公司GoodBye Chain Group總經(jīng)理Harvey Stone表示。“在價格、品質(zhì)和服務水平相當?shù)那闆r下，明智的客戶肯定會選擇符合RoHS要求的產(chǎn)品。”他說。

同時，設計者還在關(guān)注其它幾種可能更為嚴格的環(huán)境法規(guī)，例如歐盟的化學品注冊、評估和授權(quán)(REACH)法，該法規(guī)對數(shù)千種化學物質(zhì)限制使用，以及最初目標瞄準能效要求的耗能產(chǎn)品(EuP)指令。

“從對供應商的要求角度出發(fā)，EuP的復雜度比RoHS和WEEE高出了一個數(shù)量級。”Stone指出，“由于設計者在設計新產(chǎn)品時不得不考慮更多的環(huán)境參數(shù)，因此EuP將給他們帶來更大的難題。”WEEE是歐盟的廢棄電子與電氣設備指令的縮寫。

業(yè)內(nèi)人士認為，如果說這些新的環(huán)境規(guī)則正在為全球業(yè)務和供應鏈帶來挑戰(zhàn)，那么它們也會一如既往地驅(qū)動設計階段改革。

“通過要求設計者在設計時避免使用6種有害物質(zhì)(否則就無法獲得設計中標), RoHS正在逐步走向產(chǎn)品生命周期的設計階段，以此減少環(huán)境問題。”Stone指出。為了做到這一點，設計者必須綜合考慮其它設計標準，包括外形、裝配、功能、成本和可銷售性。他補充道：“在許多情況下，這是設計者首次在設計中將毒性要求作為設計參數(shù)。”

毒性可能是目前最重要的環(huán)境參數(shù)，但在不久的將來設計者還必須在能效、產(chǎn)品可回收性、回收總量以及材料精簡等問題上進行角逐。

許多設計者，特別是小型公司的設計者，才剛剛在符合RoHS的設計道路上起步。“是否符合RoHS從一開始就應該成為產(chǎn)品要求，因為從那時起設計者要做的每件事都要支持這個決策。” Design Chain Associates的Stanvick指出。

首先要確定的，就是產(chǎn)品是否在RoHS指令范圍之外。如果是，那么就無需受指令約束。分銷商Newark InOne公司行銷總監(jiān)Joanne Volakakis表示：“仍有客戶在向我們咨詢產(chǎn)品是否需要符合RoHS，通常中小型規(guī)模公司的工程師對這方面不太清楚。”

同樣值得關(guān)注的是，RoHS在提供眾多優(yōu)勢的同時也帶來了一些令人頭疼的問題。Stanvick強調(diào)，制造商可以通過使工藝保持一致或減少材料來節(jié)約成本。“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說，“如果前端工作做得很好，那么下游工作就會變得容易些。”

分銷商的現(xiàn)場應用工程師(FAE)可以幫助客戶實現(xiàn)RoHS轉(zhuǎn)換，但這些FAE必須首先接受有關(guān)機械和制造問題的培訓，美國艾睿電子公司工程總監(jiān)Theron Makley指出。FAE通常是根據(jù)電氣規(guī)范向客戶推薦元器件的電子工程師。“由于增加了RoHS要求，我們必須培養(yǎng)自己的FAE，讓他們能熟練指導客戶有關(guān)RoHS的制造方法，并使客戶明白工藝轉(zhuǎn)換時可能存在的問題。”Makley表示。

實現(xiàn)成功轉(zhuǎn)換的另一要素就是設計方法學，來幫助設計者從元件選型到符合性驗證的每個步驟都滿足RoHS要求。該類型產(chǎn)品已經(jīng)開始上市，EMA公司的工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)就是其中一種，它增強了可在本地或全球展開部署的設計兼容性流程。

雖然詳盡的設計自動化工具使用說明非常重要，然而工具集的實際部署和實現(xiàn)才是成功的關(guān)鍵，EMA公司的Marcano認為。“任何人都可以用符合RoHS指令的部件進行設計，但是真正的目標卻是向歐盟證明你確實在符合性方面盡了力。”EMA工具可生成一個符合性保證系統(tǒng)，據(jù)稱可以跟蹤產(chǎn)品從概念到符合性驗證的整個過程。



阻焊層顏色變化引起的缺陷是一個常見的問題
工藝變化

在應對諸多RoHS設計挑戰(zhàn)之外，工程師還必須明白這些RoHS符合性設計的制造流程。“設計工程師不再僅僅考慮產(chǎn)品的電氣性能，”艾睿電子公司高級FAE Paul Peterson指出，“與過去相比，他們還必須更多地去考慮可制造性問題。”

有鉛與無鉛產(chǎn)品在裝配溫度和加工能力方面有很大差別，PRTM的Chinn指出。由于許多公司無鉛和有鉛生產(chǎn)線并存，因此設計者必須確保在適當?shù)奈恢眠x用適當?shù)墓に嚕瑥亩�避免混淆，Chinn補充道。

GoodBye Chain Group公司的Stone認為，“設計者應該知道無鉛器件在制造時需要更高的溫度。他們在設計電路時，還應該了解汞或六價鉻替代品以及無鉛焊料的性能特征。此外，還必須了解工藝溫度和濕度敏感度等級。”

要避免一些通常會隨無鉛工藝出現(xiàn)的問題，如破裂、分層和焊點可靠性差等，一個方法就是在產(chǎn)品成型之前確保電路板質(zhì)量。另外，所有供應鏈合作伙伴需要就無鉛環(huán)境進行相關(guān)的自我培訓，從而有效區(qū)分什么是缺陷，什么不是。鑒別無鉛環(huán)境中的實際問題是最難的一件事，Celestica公司負責印刷電路板的全球產(chǎn)品工程顧問Gail Auyeung認為。

混合裝配面對的最大設計挑戰(zhàn)之一是傳統(tǒng)元器件，包括已經(jīng)符合RoHS但無法處理新工藝溫度的電容與電阻，Celestica公司全球RoHS實現(xiàn)總監(jiān)Joe Scala表示。“它們的額定溫度還是老式的JEDEC標準230℃，而無鉛工藝則要求260℃。”他說，“從RoHS角度看這些元件完全符合要求，但在使用錫銀銅(SAC)合金的生產(chǎn)線上應用時卻存在問題。”

其它障礙包括材料選擇、可靠性、電路板版圖和焊盤尺寸，Stanvick指出。電路板在回流焊時需要獲得額外支持，較高的溫度將使它們更易翹曲。另外，還存在材料、認證和重新認證的成本障礙。

更高的工藝溫度還意味著會引發(fā)環(huán)氧玻璃布板溫度、張力系數(shù)、熱擴散等問題，Stanvick補充道。另外，施加于電路板上的熱應力也會導致過孔破裂。

還有一個需要提及的是電路板焊盤尺寸的改變。“無鉛焊料不會到處流動，由于具有不同的冷卻特性，在某些情況下可能會出現(xiàn)裸露的銅。”Stanvick解釋說。工業(yè)組織IPC已經(jīng)發(fā)布了IPC-610規(guī)范，其中包括設計者需要留意的一組最新檢查標準。

作者：羅吉娜