Zgodność z RoHS, czyli „zielonej inżynierii ciąg dalszy”

Zgodność z RoHS jest tylko jedną z kwestii branych pod uwagę przez projektantów

Bez względu na to, gdzie dzisiaj spojrzymy, zauważymy, że w wielu reklamach, kartach danych oraz katalogach coraz częściej pojawia się znany symbol zgodności z dyrektywą RoHS (Removal of Hazardous Substances – ograniczenie użycia substancji niebezpiecznych). Dyrektywa 2002/95/EC Parlamentu Europejskiego nabiera pełnej mocy w tym roku, mimo że wydana była 27 stycznia 2003. Przy całym pośpiechu związanym z uzyskaniem zgodności z RoHS, istnieją jeszcze dwie inne kwestie zgodności, które warto rozważyć.

Pierwszą jest zgodność sił elektromotorycznych (SEM), znana również jako „szereg napięciowy”. Gdy metale wchodzą w kontakt ze sobą, pomiędzy ich powierzchniami zachodzi wymiana elektronów. Jeżeli potencjał napięcia pomiędzy dwoma metalami jest zbyt duży, wystąpi korozja. Korozja wpłynie na integralność metalu i poważnie uszkodzi przewodzący styk.

Wyznaczony przez RoHS kierunek galwanicznego pokrywania srebrem płytek obwodów drukowanych może pogorszyć zgodność z SEM, jeżeli jednocześnie nie będą uwzględniane charakterystyki powierzchni ram montażowych. Gdy płytki obwodów drukowanych są powlekane lutami ze stopu cynowo-ołowiowego, powierzchnia ramy montażowej, taka jak powłoka cynkowa ma zwykle zgodność SEM. Galwaniczne pokrywanie srebrem wywołuje zupełnie odmienny skutek. Określanie zgodności SEM i zapobieganie korozji oraz poważnemu pogorszeniu (wraz z upływem czasu) przewodności elektrycznej wymaga przeglądu szeregu sił elektromotorycznych.

Istnieją dwie możliwości wyrażenia szeregu SEM:

1) jako wskaźnik przybliżenia wartości w porównaniu ze złotem, gdzie złoto stanowi wartość zerową wskaźnika odniesienia, lub

2) jako sekwencja rzeczywistych potencjałów elektrody, które mogłyby być wymienione w ogólnie znanych źródłach, takich jak podręczniki chemii lub fizyki.

Z tych dwóch metod wersja z ogólnym przybliżeniem wskaźników daje bardzo funkcjonalną listę wartości odniesienia, często pogrupowanych w klasy metali. Podejście z przybliżeniem wskaźników, mimo że szeroko wykorzystywane w przemyśle, wymaga typowego zgrupowania potencjałów w przybliżone klasy metali i zaokrąglenia wyników w sumarycznym formularzu, co skutkuje obniżeniem dokładności.

Dodatkowo, ponieważ wersja ze wskaźnikiem stanowi listę odniesioną do złota, w celu określenia potencjałów standardowych elektrod wymagana jest ponowna konwersja do szeregu elektromotorycznego elementów. Z powodu niedokładności podejścia z przybliżeniem wskaźników, w przekształceniach tych zostaną stwierdzone dychotomie.

Przybliżenie wskaźników kontra potencjał elektrod

Metoda przybliżenia wskaźników wymienia w tabeli grupy metali, ze złotem stanowiącym odniesienie. Tabela ta zdobyła popularność począwszy od roku 1960 i jest często wykorzystywana jako odniesienie dla różnych materiałów w kontekście EMI.

W tabeli można dostrzec, że luty cynowoołowiowe przedstawiają wskaźnik wartości napięcia równy -0,65V. Z drugiej strony, cynk przedstawia wartość -1,25V. Wartość różnicy potencjałów SEM pomiędzy tymi powszechnie stosowanymi materiałami wynosiłaby około 0,6V.

Teraz spójrzmy na wartość srebra. Potencjał SEM sięga wartości -0,15V, która znacznie odbiega od cynku. Różnica potencjałów SEM pomiędzy cynkiem i srebrem, jaka występuje w przypadku płytek obwodów drukowanych powlekanych galwanicznie srebrem, osiągnęłaby gigantyczną wartość 1,1V. Przy połączeniu tych metali korozja byłaby gwarantowana.

Bardziej dokładną metodą byłoby raczej wykorzystanie szeregu potencjałów elektrod niż przybliżonych wskaźników. Wersja rzeczywistego szeregu elektrochemicznego sił elektromotorycznych definiuje potencjał elektrody w woltach dla elementów porównywanych z elektrodą wodorową, użytą jako punkt odniesienia. Elektroda wodorowa znana jest również jako „półogniwo wodorowe”. Elektroda wodorowa, wykorzystywana jako bazowe odniesienie do określenia potencjału elektrod elementów, składa się z platynowej folii powleczonej 1,0 molowym roztworem jonów wodoru przy ciśnieniu 1 atmosfery. Wodór w postaci gazowej podczas powlekania bąbelkuje na folii. Jako wynik pomiaru brany jest potencjał elektrody przy 25°C. Mogliście spotkać się z określeniem „potencjały redukcji” w odniesieniu do potencjałów elektrod. Porównanie cyny lub ołowiu o przybliżonej wartości -0,130V do cynku o wartości -0,763V daje różnicę 0,633V, która jest bardzo zbliżona do porównania wykonanego „metodą wskaźników”. Porównanie srebra o potencjale +0,799V z cynkiem o potencjale -0,763V daje wartość nawet większą niż 1,562V! Wartość ta jest prawdopodobnie bardziej reprezentatywna dla tego, co mogłoby zdarzyć się w prawdziwych produktach.

Osiągi parami

Celem jest ułożenie w pary kombinacji powierzchni metali, które są rozumiane jako zgodne, po to, aby udaremnić wystąpienie korozji, która mogłaby z czasem znacząco osłabić lub pogorszyć przewodność styku powierzchnia-powierzchnia. Rozważając najważniejsze wzajemne oddziaływania, które wywołują efekty naskórkowości (i związane z nimi grubość warstwy, w której on występuje, oraz rezystancja efektu naskórkowości) w skuteczności ekranowania wysokich częstotliwości, oraz biorąc pod uwagę, że ściskane przewodzące powierzchnie styku stanowią podstawę przy wdrażaniu konstrukcji ekranujących, warto podkreślić, że przy doborze metalu podczas projektowania należy koniecznie uwzględnić kompatybilność połączeń metalowych.

Faktyczna akceptowalna wartość różnicy potencjałów SEM, która może być wykorzystywana z domniemaną niezawodnością zależy od kilku czynników. Czynniki te obejmują naturę ściśle przylegających lub stykowych powierzchni, na przykład statycznie-spoczynkowych lub ruchomych i ściernych oraz spodziewanego środowiska roboczego. W wysoce zasolonych środowiskach (takich jak ledwo dostrzegalne ruchy fal oceanicznych) wymagane potencjały elektrod, aby mogły być zaakceptowane, mogą być bardzo niskie (środowiska morskie lub Marynarka Wojenna mogłyby z pewnością zakwalifikować je do rygorystycznych), często w zakresie tylko 0,1 do 0,25V maksymalnej różnicy. W bardziej typowych środowiskach komercyjnych, gdzie występują nieruchome powierzchnie, wyniki doświadczalne wskazują, że akceptowalne mogą być różnice o maksymalnym zakresie w przybliżeniu 0,35 do 0,40V. Sugeruje się, że różnice SEM bliskie 0,50V w środowiskach przemysłowych mogą być akceptowalne dla powierzchni będących przedmiotem wzajemnego ścierania się, chociaż należy ich unikać w odniesieniu do powierzchni nieruchomych. W każdej sytuacji należy unikać wartości różnicowych powyżej 0,60V.

Inny czynnik zgodności z RoHS

Kwestie zgodności elektromagnetycznej stanowią drugi czynnik w kontekście RoHS. Zgodność elektromagnetyczna ma dwa czynniki: przewodność (rezystancję) powierzchniową oraz występujący przy wysokich częstotliwościach efekt naskórkowości. Rezystancja powierzchniowa jest kwestią nacisku wymaganego do wejścia w kontakt powierzchni przewodzących. Znając „powierzchnię uderzenia” (w mm2) oraz nacisk zastosowany na dwie przylegające powierzchnie, możliwe jest zmierzenie rezystancji powierzchniowej (w omach/kwadrat).

Dla możliwości pracy przy najwyższych częstotliwościach celem są wartości rezystancji powierzchniowej równe lub mniejsze od 50 mq/kwadrat, lecz w różnych przypadkach mogą być wystarczające wartości takie jak 100 mq/kwadrat. Zanim zapytacie „na kwadrat czego?”, warto jest zdać sobie sprawę, że w modelu rezystywnej siatki kwadratowych powierzchni, szeregowe i równoległe ekwiwalentne elementy rezystywne zawsze się równoważą. Tak długo, jak długo jest to kwadrat, nie ma znaczenia, czy jest to kwadratowy cal, centymetr czy furlong. Moim zadaniem jest uświadomienie, że zdolności zależą od materiału, który zamieniacie, chcąc uzyskać zgodność z RoHS i wyrównać lub przewyższyć wymagania RoHS.

Ostateczna kwestia kompatybilności ekranowania EMC dotyczy efektu naskórkowości. Zmieńcie przewodność, grubość i przenikalność względną swoich powierzchni metalowych, a prawie na pewno zmienicie ekranowanie. Jeżeli przewodność powłoki powierzchni jest taka sama lub lepsza niż tej, którą zastępujecie, a przenikalność względna jest taka sama, zmieniony produkt RoHS prawdopodobnie będzie zgodny z EMC. Jeżeli nie jest ona taka sama lub jej nie znacie, musicie ocenić konstrukcję.

Ekrany o grubości będącej wielokrotnością głębokości efektu naskórkowego zasadniczo składają się z dwóch obszarów granicznych powleczonych powierzchni oraz jednego rdzenia. Aby rozważyć funkcje na i wewnątrz struktury ekranującej wytworzonej z arkusza metalu, właściwym jest postrzeganie ekranu jakby był angażowany przez uderzenie fali elektromagnetycznej. Z punktu widzenia fali elektromagnetycznej istnieją trzy składniki wbudowane w metal:

• dwie przeciwne powierzchnie, które mogłyby być określone „powierzchniami efektu naskórkowego”, oraz
• materiał rdzenia.

Pierwszym efektem jest wpływ „naskórkowości powierzchni” na impedancję dla fali elektromagnetycznej. Zmiana warstwy powierzchniowej, taka jak powleczenie, może wymagać ponownej certyfikacji zgodności z normami EMC. Obliczenie głębokości warstwy, w której zachodzi zjawisko naskórkowości, może zapewnić pewien wgląd w wielkość zmian, które zaszły.

Zgodnie z „danymi referencyjnymi dla inżynierów radiowych” ITTC (Międzynarodowa Korporacja Poczty i Telegrafu), wartość głębokości warstwy naskórkowej „d” jest obliczana jako:

d = (2/mrsrv) (w metrach, ponieważ wartości mr oraz sr są wyrażone w odniesieniu do metrów). (Pełne omówienie znajduje się na stronie internetowej http: //rbi.ims.ca/4928-577 – przyp. redakcji)

RoHS nie jest jedynie kwestią zgodności

Zanim stwierdzimy, że został ukończony projekt zgodny z RoHS, należy się upewnić, że jest on również zgodny z szeregiem siły elektromotorycznej oraz ze ściśnięciem powierzchni wymaganym do uzyskania niskiej rezystancji, oraz że wartości efektu naskórkowości nie zmieniają osiągów EMC. W przeciwnym razie jest tylko kwestią czasu, zanim te kwestie zgodności starszych projektów staną się widoczne.

W. Michael King jest niezależnym doradcą

projektowania systemów oraz autorem EMCT:

z nim pod adresem michael@systemsemc.com

Autor: TEKST: W. Michael King, niezależny doradca projektowania systemów