Введение

Директива Европейского Союза, ограничивающая использование десяти опасных веществ

Директива 2002/95/EC об ограничении использования опасных веществ (RoHS 1), сокращенно от Директивы об ограничении использования определенных опасных веществ в электрическом и электронном оборудовании, была принята Европейским Союзом в феврале 2003 года. Целью данной инициативы было ограничение содержания опасных химических веществ в электронных устройствах. Директива RoHS 1 вступила в силу 1 июля 2006 года и должна была быть имплементирована в законодательство каждого государства-члена. Эта директива ограничивает (за исключением определенных случаев) использование десяти опасных веществ при производстве различных типов электрического и электронного оборудования. Помимо исключений, существуют освобождения для таких продуктов, как солнечные панели. Она тесно связана с Директивой 2002/96/EC об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE) (в настоящее время утратившей силу), которая устанавливает цели по сбору, переработке и восстановлению электрических и электронных изделий и является частью законодательной инициативы, направленной на решение проблемы огромного количества токсичных электронных отходов. В устной речи RoHS часто произносится как /r//ɒ//s/, /r//ɒ//ʃ/, /r//oʊ//z/ или '/r//oʊ//h//ɒ//z/ и подразумевает стандарт ЕС, если не указано иное.

Опасные материалы и проблема высокотехнологичных отходов

RoHS и другие усилия по сокращению содержания опасных веществ в электронике частично обусловлены необходимостью решения глобальной проблемы отходов потребительской электроники. С появлением новых технологий во все более быстром темпе потребители выбрасывают устаревшие продукты быстрее, чем когда-либо прежде. Эти отходы оказываются на свалках и в таких странах, как Китай, под видом "переработки". Американская электроника, экспортируемая в страны, такие как Гана в Западной Африке, под предлогом переработки, может приносить больше вреда, чем пользы. Не только взрослые и дети, занятые на этих работах, подвергаются отравлению тяжелыми металлами, но и эти металлы возвращаются в США. "В настоящее время США экспортируют значительные объемы материалов, содержащих свинец, в Китай, который является крупнейшим мировым производственным центром", – говорит доктор Джеффри Вайденхамер, профессор химии Ашлендского университета в Огайо. "Неудивительно, что все возвращается на круги своя, и теперь мы получаем обратно загрязненную продукцию".

Изменение восприятия токсичности

В дополнение к проблеме высокотехнологичных отходов, RoHS отражает современные исследования в области биологической токсикологии, проводимые за последние 50 лет, которые признают долгосрочные последствия низких уровней химического воздействия на популяции. Новые методы тестирования позволяют выявлять значительно меньшие концентрации вредных веществ в окружающей среде. Исследователи связывают эти воздействия с неврологическими, нарушениями развития и репродуктивными изменениями. RoHS и другие природоохранные законы отличаются от исторического и современного законодательства, которое направлено на решение проблем только острой токсикологии, то есть прямого воздействия больших доз токсичных веществ, вызывающих серьезные травмы или смерть.

Оценка воздействия безловяной пайки на жизненный цикл

Агентство по охране окружающей среды США (EPA) опубликовало оценку жизненного цикла (LCA) воздействия на окружающую среду свинцовых и бессвинцовых припоев, используемых в электронной продукции. Для припоев в стержнях, при рассмотрении только бессвинцовых вариантов, сплав олово/медь показал наименьшие (наилучшие) результаты. Для паяльных паст сплав висмут/олово/серебро продемонстрировал наименьшее воздействие среди бессвинцовых альтернатив во всех категориях, кроме потребления невозобновляемых ресурсов. Как для паяльных паст, так и для припоев в стержнях, все бессвинцовые альтернативы показали более низкие (лучшие) показатели LCA в категориях токсичности, чем традиционные свинцово-оловянные припои. Это обусловлено, главным образом, токсичностью свинца и количеством свинца, высвобождающегося из сборок печатных плат, что было установлено в ходе исследования выщелачивания, проведенного партнерством. Результаты исследования предоставляют отрасли объективный анализ экологических последствий в течение жизненного цикла основных бессвинцовых припоев-кандидатов, позволяя учитывать экологические аспекты наряду с традиционно оцениваемыми параметрами стоимости и производительности. Эта оценка также позволяет отрасли перенаправить усилия на разработку продуктов и процессов, снижающих воздействие припоев на окружающую среду, включая энергопотребление, выбросы токсичных веществ и потенциальные риски для здоровья человека и окружающей среды. Другая оценка жизненного цикла, проведенная IKP при Университете Штутгарта, демонстрирует аналогичные результаты исследования EPA.

Оценка воздействия на жизненный цикл пластмасс, не содержащих BFR

Запрет на содержание бромированных антипиренов (BFR) в пластмассах в концентрации выше 0,1% оказал влияние на переработку пластмасс. Поскольку все больше продукции содержит переработанные пластмассы, стало критически важно знать концентрацию BFR в этих пластмассах, либо путем прослеживания происхождения переработанных пластмасс для определения концентрации BFR, либо путем измерения концентрации BFR в образцах. Пластмассы с высокой концентрацией BFR обходятся дорого в обработке или утилизации, в то время как пластмассы с уровнем ниже 0,1% представляют ценность как вторичное сырье. Существует ряд аналитических методов для быстрого измерения концентрации BFR. Рентгенофлуоресцентная спектроскопия может подтвердить наличие брома (Br), но не определяет концентрацию BFR или конкретную молекулу. Для измерения концентрации BFR в пластмассах можно использовать ионно-захватную масс-спектрометрию (IAMS). Запрет на BFR существенно повлиял как на начальные этапы (выбор материалов для производства пластмасс), так и на последующие этапы (переработку пластмасс).

2015/863 (изменение RoHS 2)

Директива RoHS 2 (2011/65/EU) допускает добавление новых материалов, и в первоначальной версии особое внимание уделено четырем из них. Поправка 2015/863 добавляет четыре дополнительных вещества в Приложение II к директиве 2011/65/EU (три четверти новых ограничений рекомендованы для изучения в исходной директиве, см. пункт 10 преамбулы). Это еще одна причина, по которой простых заявлений о соответствии компонентов требованиям RoHS недостаточно, поскольку требования к соответствию зависят от даты, когда продукция была представлена на рынке (см. IEC 63000:2016). Ограничения и требования к подтверждению соответствия для этих четырех веществ применяются к продукции, поступившей на рынок 22 июля 2019 года или после этой даты, за исключением случаев, предусмотренных исключениями в Приложении III.

Маркировка и документация

На продуктах, подпадающих под действие директивы RoHS 2, должны быть нанесены знак CE, наименование и адрес производителя, а также серийный или партийный номер. Лица, которым требуется более подробная информация о соответствии, могут найти ее в декларации соответствия ЕС для данного продукта, составленной производителем (владельцем бренда), ответственным за разработку, или его уполномоченным представителем в ЕС. В соответствии с нормативными требованиями, большинство участников цепочки поставок (импортеры и дистрибьюторы) обязаны хранить и проверять этот документ, а также обеспечивать соблюдение процедуры оценки соответствия и предоставление инструкций с корректным языковым переводом. Производитель должен хранить определенную документацию, подтверждающую соответствие, известную как техническое досье или технические данные. Директива требует от производителя подтверждать соответствие посредством результатов испытаний всех материалов или путем соответствия гармонизированному стандарту (на момент написания IEC 63000:2016 является единственным таким стандартом). Надзорные органы могут запросить это досье или, вероятнее, конкретные данные из него, учитывая его значительный объем.

История

RoHS не требовал какой-либо специальной маркировки продукции, но многие производители приняли собственные знаки соответствия, чтобы снизить неопределенность. Визуальные индикаторы включали в себя явные надписи "Соответствует RoHS", зеленые листья, галочки и маркировку "Без содержания свинца". Китайские знаки RoHS, строчная буква "e" в круге со стрелками, также могут указывать на соответствие. RoHS 2 стремится решить эту проблему, требуя вышеупомянутой маркировки CE, использование которой контролируется органами по соблюдению торговых стандартов. В нем указано, что единственным разрешенным указанием на соответствие RoHS является маркировка CE. Тесно связанная с RoHS Директива WEEE (об отходах электрического и электронного оборудования), вступившая в силу одновременно с RoHS, изображает логотип мусорного бака, перечеркнутого крестом, и часто сопровождается маркировкой CE.

Возможные будущие дополнения

Новые ограничения на вещества, рассматриваемые для введения в ближайшие несколько лет, включают фталаты, бромированные антипирены (BFR), хлорированные антипирены (CFR) и ПВХ. [Страна/Организация] заявляет о намерении установить аналогичные ограничения, но на самом деле придерживается совершенно иного подхода. В отличие от директивы EU RoHS, где продукты в определенных категориях включаются, если они специально не исключены, будет создан перечень включенных продуктов, известный как каталог (см. статью 18 регламента), который станет подмножеством общего объема электронных информационных продуктов (EIP), к которым применяются данные правила. Изначально продукты, попадающие в сферу действия закона, должны иметь маркировку и предоставлять информацию о наличии определенных веществ, при этом сами вещества (пока) не запрещены. Существуют продукты, являющиеся EIP, которые не подпадают под действие EU RoHS, например, радиолокационные системы, оборудование для производства полупроводников, фотошаблоны и т.д. Список EIP доступен на китайском и английском языках. Вступление в силу правил маркировки и раскрытия информации планировалось на 1 июля 2006 года, но было дважды отложено до 1 марта 2007 года. Сроки публикации каталога пока не определены. Япония Япония не имеет прямого законодательства, регулирующего вещества, подпадающие под RoHS, однако ее законы о переработке стимулировали японских производителей к переходу на бессвинцовые технологии в соответствии с рекомендациями RoHS. Министерское постановление, реализующее японский промышленный стандарт по маркировке определенных химических веществ (J MOSS), вступившее в силу 1 июля 2006 года, предписывает наличие предупредительной маркировки на некоторых электронных изделиях, содержание указанных токсичных веществ в которых превышает установленный предел. Южная Корея Южная Корея приняла Закон о переработке ресурсов от электрического и электронного оборудования и транспортных средств 2 апреля 2007 года. Данный закон содержит элементы RoHS, WEEE и ELV.

Соединенные Штаты

Закон о безопасности потребительских товаров был принят в 1972 году, а затем, в 2008 году, последовал Закон об улучшении безопасности потребительских товаров. Штат Калифорния принял Закон о переработке электронных отходов 2003 года (EWRA). Этот закон запрещает продажу электронных устройств после 1 января 2007 года, если их продажа запрещена директивой ЕС RoHS, однако с гораздо более узкой областью применения, охватывающей ЖК-дисплеи, ЭЛТ и аналогичные устройства, и распространяющейся только на четыре тяжелых металла, ограниченных RoHS. EWRA также предусматривает обязательное раскрытие информации об используемых ограниченных материалах. С 1 января 2010 года Калифорнийский закон об эффективности освещения и сокращении токсичных веществ распространяет действие RoHS на источники света общего назначения, то есть на "лампы, лампочки, трубки или другие электрические устройства, обеспечивающие функциональное освещение для использования в жилых, коммерческих помещениях и на открытом воздухе". В других штатах и городах США обсуждается принятие аналогичных законов, и в ряде штатов уже введены запреты на использование ртути и ПБДЭ.

Великобритания

31 января 2020 года Соединенное Королевство завершило выход из Европейского Союза и перешло к переходному периоду с 1 февраля по 31 декабря 2020 года. Это событие обычно называют Brexit. В течение этого переходного периода Соединенное Королевство провело всестороннюю оценку различных нормативных требований, включая RoHS. Нормативные требования RoHS Великобритании остаются в значительной степени согласованными с RoHS ЕС, с аналогичными областями применения, перечнем веществ, подлежащих ограничению, пороговыми значениями и исключениями.

Ирландия

Во всем мире доступны стандарты и сертификация по стандарту QC 080000, регулируемому Национальным органом по стандартизации Ирландии, для обеспечения контроля над опасными веществами в промышленных приложениях.

Швеция

В 2012 году Шведское агентство по химическим веществам (Kemi) и Управление по электробезопасности протестировали 63 продукта бытовой электроники и обнаружили, что 12 из них не соответствуют требованиям. Kemi заявляет, что это сопоставимо с результатами тестирований прошлых лет. "В одиннадцати продуктах содержание свинца превышало допустимый уровень, а в одном обнаружены полибромированные дифениловые эфиры – антипирены. Информация о семи компаниях передана шведским прокурорам. Kemi отмечает, что уровень несоответствия требованиям RoHS аналогичен предыдущим годам и остается слишком высоким."

Другие стандарты

RoHS – не единственный экологический стандарт, о котором должны знать разработчики электронной продукции. Производителям будет выгоднее иметь единый перечень материалов для продукта, распространяемого по всему миру, чем адаптировать продукт под конкретные экологические требования каждой страны. Поэтому они разрабатывают собственные стандарты, допускающие только наиболее строгие из разрешенных веществ. Например, IBM обязывает каждого из своих поставщиков заполнять форму декларации о составе продукции для подтверждения соответствия их экологическому стандарту «Базовые экологические требования к материалам, компонентам и изделиям для аппаратных продуктов с логотипом IBM». Таким образом, IBM запретила DecaBDE, несмотря на то, что ранее для этого материала действовало исключение из RoHS (отмененное Европейским судом в 2008 году). Аналогично, вот экологический стандарт компании Hewlett Packard.

Влияние на надежность

Потенциальные проблемы с надежностью были рассмотрены в пункте №7 приложения к директиве RoHS, предоставляя некоторые конкретные исключения из регулирования до 2010 года. Эти вопросы были подняты при первом внедрении директивы в 2003 году, когда эффекты на надежность были менее известны. Другая потенциальная проблема, с которой могут столкнуться некоторые бессвинцовые припои на основе олова с высоким содержанием, – это рост оловянных усов. Эти тонкие нити олова могут расти и замыкать соседний проводник, вызывая короткое замыкание. Свинец в припое подавляет рост оловянных усов. Исторически случаи роста оловянных усов были связаны с несколькими авариями, включая остановку атомной электростанции и инцидент с кардиостимулятором, где использовалось чистое оловянное покрытие. Однако эти аварии произошли до вступления в силу RoHS. Они также не связаны с потребительской электроникой, поэтому использование веществ, ограниченных RoHS, возможно, если это необходимо. Производители электронного оборудования для критически важных аэрокосмических применений придерживались политики осторожности и поэтому сопротивлялись переходу на бессвинцовые припои. Для смягчения потенциальных проблем производители, использующие бессвинцовые припои, применяют различные подходы, такие как сплавы олова с цинком, которые образуют непроводящие усы, или составы, уменьшающие рост, хотя и не останавливающие его полностью во всех случаях. К счастью, опыт показывает, что развернутые экземпляры продукции, соответствующей RoHS, не выходят из строя из-за роста усов. Доктор Рональд Ласки из Дартмутского колледжа сообщает: «RoHS действует уже более 15 месяцев, и произведено продукции на сумму около 400 миллиардов долларов, соответствующей RoHS. Несмотря на широкое использование этой продукции, не было зарегистрировано значительного числа отказов, связанных с ростом оловянных усов». Рост усов происходит медленно, непредсказуемо и недостаточно изучен, поэтому время может быть единственным надежным способом проверки эффективности этих мер. Рост усов наблюдается даже для свинцовых припоев, хотя и в гораздо меньшем масштабе. Некоторые страны освободили медицинские изделия и инфраструктуру телекоммуникаций от действия этого законодательства. Однако этот вопрос может оказаться неактуальным, поскольку, по мере того как производители электронных компонентов переводят свои производственные линии на выпуск только бессвинцовых компонентов, традиционные компоненты с эвтектическим оловянно-свинцовым припоем просто не будут доступны, даже для военных, аэрокосмических и промышленных потребителей. В той мере, в которой речь идет только о припое, это частично компенсируется совместимостью многих бессвинцовых компонентов с процессами пайки, содержащими свинец. Компоненты с выводными выводами, такие как корпуса Quad Flat Package (QFP), Small Outline Integrated Circuit (SOIC) и Small Outline Package (SOP) с выводами типа "чайка", обычно совместимы, поскольку покрытие выводов компонента вносит небольшое количество материала в готовое соединение. Однако такие компоненты, как Ball Grid Array (BGA), поставляемые с бессвинцовыми шариками припоя, и компоненты без выводов часто несовместимы с процессами, содержащими свинец.

Экономический эффект

Нет исключений de minimis, например, для микропредприятий. Этот экономический эффект был предвиден, и были предприняты хотя бы некоторые попытки его смягчить. Другой вид экономического эффекта – это стоимость брака продукции при переходе на соответствие требованиям RoHS. Например, образование оловянных усов привело к 5%-ному уровню отказов в определенных компонентах швейцарских часов Swatch в 2006 году, до внедрения RoHS в июле, что, по сообщениям, повлекло за собой отзыв продукции на сумму 1 миллиард долларов США. Swatch отреагировала на это, подав заявку на освобождение от требований RoHS, но в ней было отказано.

Пособия по здоровью

RoHS помогает снизить вред здоровью людей и окружающей среде в развивающихся странах, куда попадает значительная часть современных "высокотехнологичных отходов". Использование бессвинцовых припоев и компонентов уменьшает риски для работников электронной промышленности при разработке прототипов и производстве. Контакт с припоями больше не представляет прежней угрозы для здоровья.

Беспокойство по поводу надежности необоснованно

Вопреки прогнозам о широком выходе компонентов из строя и снижении надежности, первая годовщина RoHS (июль 2007 года) прошла незаметно. Большинство современных потребительских электронных устройств соответствуют требованиям RoHS. По состоянию на 2013 год миллионы соответствующих продуктов используются по всему миру. Многие компании-производители электроники размещают на своих корпоративных сайтах страницы, посвященные "статусу RoHS". Например, на веб-сайте AMD указано:

Хотя полностью исключить припой, содержащий свинец, из всех применений на сегодняшний день невозможно, инженеры AMD разработали эффективные технические решения для снижения содержания свинца в микропроцессорах и чипсетах, чтобы обеспечить соответствие RoHS при минимизации затрат и сохранении функциональности продукта. Изменений в габаритах, функциональных, электрических или рабочих характеристиках не предусмотрено. Ожидается, что стандарты качества и надежности для продуктов, соответствующих требованиям RoHS, будут идентичны стандартам для существующих корпусов. Технологии финишной обработки печатных плат, соответствующие RoHS, превосходят традиционные составы по устойчивости к тепловому удару при производстве, печатаемости паяльной пасты, контактному сопротивлению и эффективности соединения алюминиевой проволокой, и приближаются к ним по другим параметрам. Свойства бессвинцового припоя, такие как его термостойкость, используются для предотвращения отказов в жестких условиях эксплуатации. Эти условия включают рабочие температуры с тестовыми циклами в диапазоне от -40 °C до +150 °C и высокими требованиями к вибрации и ударопрочности. Автомобильные производители все чаще обращаются к решениям RoHS, поскольку электроника проникает в подкапотное пространство.

Свойства потока и сборка

Одним из основных различий между свинцовыми и бессвинцовыми пастами для пайки является "текучесть" припоя в жидком состоянии. Свинцовый припой имеет более низкое поверхностное натяжение и склонен немного перемещаться, чтобы прикрепиться к открытым металлическим поверхностям, соприкасающимся с любой частью жидкого припоя. Бессвинцовый припой, напротив, стремится оставаться на месте в жидком состоянии и прикрепляется к открытым металлическим поверхностям только в точках непосредственного контакта с жидким припоем. Это отсутствие "текучести" – хотя обычно рассматривается как недостаток, поскольку может приводить к снижению качества электрических соединений – может быть использовано для более плотной установки компонентов, чем это было возможно с использованием свинцовых припоев. Например, Motorola сообщает, что их новые методы сборки беспроводных устройств, соответствующих требованиям RoHS, "позволяют создавать более компактные, тонкие и легкие устройства". Их телефон Motorola Q не был бы возможен без нового припоя. Бессвинцовый припой обеспечивает возможность уменьшения расстояния между контактными площадками.

Некоторые из освобожденных продуктов достигают соответствия

Исследования новых сплавов и технологий позволяют компаниям выпускать продукцию, которая в настоящее время освобождена от требований RoHS, например, компьютерные серверы. IBM объявила о RoHS-решении для паяных соединений с высоким содержанием свинца, которые ранее считались постоянно исключенными из сферы действия директивы. Бессвинцовая технология упаковки "предлагает экономические преимущества по сравнению с традиционными процессами нанесения выпуклостей, такие как снижение отходов при пайке, использование сплавов в массивном виде, более быстрое время выхода продукции на рынок и значительно более низкий расход химических веществ". Поставщики средств для тестирования и измерений, такие как National Instruments, также начали производить продукцию, соответствующую требованиям RoHS, несмотря на то, что устройства этой категории освобождены от директивы RoHS.