โดย ดร. นุจรินทร์ รามัญกุล ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค)

1. สารอันตรายในผลิตภัณฑ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์สารอันตรายในผลิตภัณฑ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ โดย ดร. นุจรินทร์ รามัญกุล ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค)

2. สารอันตรายที่พิจารณา • สารที่เป็นสารต้องห้ามตามระเบียบข้อบังคับ ของประเทศผู้ผลิตและประเทศคู่ค้า • สหภาพยุโรป – WEEE & RoHS, Marketing and use of dangerous substances, Packaging Directive • สหรัฐอเมริกา --- Toxic substances control act, Occupational safety and health act, Clean air act, State Regulation • สารที่ได้มีการตกลงร่วมกันภายในสมาคมผู้ผลิต • Electronic Industries Alliance (EIA) Note: RoHS ห้ามใน Product ส่วน EIA, EPA ให้ Report ทั้งใน Product และใน Process!!!

3. รายการสารที่อยู่ในข่ายถูกคุมเข้มรายการสารที่อยู่ในข่ายถูกคุมเข้ม • สารต้องห้าม ตามระเบียบ RoHS • ตะกั่ว • ปรอท • แคดเมียม • โครเมียม เฮกซะวาเลนซ์ • โพลิโบรมิเนท-ไบฟีนิล (PBB) • โพลิโบรมิเนท-ไดฟีนิล-อีเทอร์ (PBDE)

4. รายการสารที่อยู่ในข่ายถูก “คุมเข้ม” (ต่อ) • “Controlled Materials” ตาม EIA Guideline • Asbestos (Insulators, fillers) • Ozone depleting substances class I (CFC, Halon, Tetrachloromethane, TCA, Methyl Bromide, HBFC) • ODS Class II (HCFCs) • Polychlorinated Biphenyls (PCBs)/Terphenyls (PCTs) (Lubricants, heating mediums, oil for capacitors) • Polybrominated Biphenyls (PBBs) and their ethers/oxides (FR in low cost PWBs, Caps, and engineering plastics) • Certain Ethylene Glycol Ethers (Solvent in semicond. Mfg)

5. รายการสารที่อยู่ในข่ายถูก “ควบคุม” • “Restricted Materials” ตาม EIA Guideline (ห้ามใช้ใน Application ที่ระบุ) • Cd ใน Dyes, Pigments, Paint, Plastics stabilizer, Packaging/Packaging inks, Plastic parts > 25g • Cr (VI) ใน Packaging/Packaging Ink • Pb ใน Packaging/Packaging Ink, Paints • Hg ในทุก Applications ยกเว้นหลอดไฟ

6. รายการสารที่ถูก “จับตา” • “Materials of Interest” ตาม EIA Guideline • กลุ่ม โลหะและสารประกอบโลหะ • แอนติมอนี, อาร์เซนิก, เบอร์ริลเลียม, แคดเมียม, โครเมียม (VI), ตะกั่ว, ปรอท, นิกเกิล, แมกนีเซียม, เซเลเนียม, ทองแดง, ทอง, พาลาเดียม, เงิน • กลุ่ม สารหน่วงการติดไฟ • สารที่ใช้ผสมเพื่อ หน่วงการติดไฟทั้งหมดในชิ้นส่วนพลาสติกที่มีน้ำหนักเกิน 25 กรัม

7. รายการสารที่ถูก “จับตา” (ต่อ) • กลุ่มสารอินทรีย์ • Chloroparaffins, Phathalates, Azo-based materials, PVC • กลุ่ม อื่นๆ • Radioactive substances

8. (ตัวอย่าง)สารอันตรายใน EEE การใช้งานและสารทดแทน

9. สารตะกั่ว ใน EEE • เหตุที่ต้องใช้ตะกั่ว ใน EEE • นำความไฟฟ้าได้ดี • จุดหลอมเหลวต่ำพอเหมาะ • ไม่แข็งจนเกินไป มีความยืดหยุ่น บิดงอได้ จุดยึดมีความแข็งแรงสูง ทนต่อความล้า ยืดเป็นเส้นได้ • เป็นแผงป้องกันการแผ่รังสีได้ดี • ช่วยทำให้ชิ้นงานลื่น ผสมโลหะทำให้ Machine ได้ง่าย • ลดการเสื่อมสภาพของพลาสติก (Stabilizer) • Pb glass: ใช้ปรับคุณสมบัติทางความร้อน ไฟฟ้า และทางกายภาพ ของแก้วได้ดี • ใช้ต่อๆ กันมาเป็นเวลานาน ราคาถูก

10. การใช้งานสารตะกั่ว ใน EEE • ทางตรง (ไฟฟ้า/แสง/ความร้อน/ดูดซับรังสี) • เชื่อมต่อวงจรไฟฟ้า (ตะกั่วบัดกรี) • ผสมในเนื้อวัสดุ PZT, ในเนื้อเซรามิกส์บางประเภท • ผสมแก้วในจอภาพ • ผสมแก้ว ประเภท Optical Glass, แก้วคริสตัลหรือหลอดไฟ • ไส้ตัวต้านทาน, Precision Resistor • ฟิวส์/ สวิทซ์ความร้อน, PTC Termister • Ceramic Capacitor

11. การใช้งานสารตะกั่ว ใน EEE (2) • ทางอ้อม (ป้องกันการกัดกร่อน/ปรับแต่งสมบัติ) • ชุบขาชิ้นส่วน/เคลือบ Pad บนแผ่นวงจรพิมพ์เพื่อกันการกัดกร่อนและช่วยให้บัดกรีได้ดีขึ้น • ผสมในพลาสติก (ฉนวนหุ้มสายไฟ (Vinyl chloride stabilizers, rubber compounding ingredients) • ผสมในสี หมึก ผสมเพื่อเป็นสารดูดความชื้นในสีผง • Counter weight (ถ่วงใบพัด มอเตอร์ เป็นต้น)

12. การใช้งานสารตะกั่ว ใน EEE (3) • ทางอ้อม (ป้องกันการกัดกร่อน/ปรับแต่งสมบัติ) • ผสมในอลูมิเนียม เพื่อให้ Machine ได้ง่าย • เจาะรูลึก - เสื้อสูบ ลูกสูบ วาล์ว • ผสมในเหล็ก เพื่อให้ Machine ได้ง่าย/ได้ผิวเรียบ/คุมขนาดได้ง่าย/ยืดอายุ Tool • ผสมในทองแดง/ทองเหลือง/บรอนซ์ ให้ Machine ได้ง่ายและลื่น (Sleeve Bearing)

13. สารอันตรายอื่นๆ ใน EEE การใช้งานและสารทดแทน

14. สารแคดเมียม ใน EEE • เหตุที่ต้องใช้แคดเมียมใน EEE • มีความทนทาน • มีโครงสร้างทางเคมีที่เหมาะสมกับงานที่ใช้อยู่ • สารประกอบแคดเมียมสามารถเรืองแสงได้ • ให้สีสรรต่างๆ, ปรับสีได้ง่าย • ยึดติดกับแก้วได้ดี (สีพ่นแก้ว) • Stabilize พลาสติกได้ดี • จุดหลอมเหลวต่ำ (321C)

15. สารแคดเมียม ใน EEE • ตัวอย่าง ชิ้นส่วน/กระบวนการที่ใช้สารแคดเมียม • เคลือบชิ้นส่วนหน้าสัมผัสทางไฟฟ้า (contact) สำหรับ มอเตอร์ สวิทซ์ รีเลย์ หรือสวิทซ์ตัดตอนอัตโนมัติ • Photonic detector โดยเฉพาะอย่างยิ่ง IR Detector • ผสมใน PVC (สายไฟ) และ พลาสติก (ให้สี, stabilizer) • สารเรืองแสงในหลอดไฟ หลอด CRT • แบตเตอรี่ (Ni-Cd) • Glasses, pigments and dyes for glass painting • Low melting point solder, fuses • Packaging Materials – Lead frame?

16. สารโครเมียม(VI) ใน EEE • เหตุที่ต้องใช้โครเมียม(VI) ใน EEE • มีความมันวาว สวยงาม มีความแข็ง • กันการกัดกร่อนได้ดี • สามารถปรับโครงสร้างผลึกเพื่อเปลี่ยนสีได้ • กรดโครมิก กัดผิวพลาสติก ช่วยให้โลหะเกาะติดพลาสติกได้ • ใช้ต่อๆ กันมาเป็นเวลานาน

17. สารโครเมียม(VI) ใน EEE (ต่อ) • ตัวอย่าง ชิ้นส่วน/กระบวนการที่ใช้ Cr-VI • สีผง Heat exchanger เคลือบชิ้นส่วนที่ทำจากเหล็ก (ตัวโครง น๊อต สกรู) หมึก Tanning, Anti rust ช่วยยึดสีเคลือบบนผิวโลหะ • Packaging Materials --- Lead Frame? • Metallized Plastic

18. สารปรอท ใน EEE • เหตุที่ต้องใช้ปรอทใน EEE • ปรอทเป็นโลหะชนิดเดียวที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิปกติ !!! • ทำให้เป็นไอได้ง่าย, Ionize ได้ง่าย • ความนำไฟฟ้าดี • ตัวอย่าง ชิ้นส่วน/กระบวนการที่ใช้สารปรอท • เครื่องมือวัด สวิทซ์ Thermostat รีเลย์ แบตเตอรี่ • ชิ้นส่วนพลาสติก - Fungicides, Preservatives, disinfectants • Metal etching • หลอดไฟ (ฟลูออเรสเซนต์)

19. สาร PBB และ PBDE ใน EEE • เหตุที่ต้องใช้ PBB และ PBDE ใน EEE • ผสมในพลาสติกช่วยหน่วงการติดไฟได้ • ป้องกันไฟลาม • ราคาถูก ไม่จำเป็นต้องผสมมาก

20. สาร PBB และ PBDE ใน EEE (ต่อ) • ตัวอย่าง ชิ้นส่วนที่มีสาร PBB และ PBDE • แผ่นวงจรพิมพ์ • ฉนวนหุ้มสายไฟ • Housing • Connectors และชิ้นส่วนพลาสติกอื่นที่มีไฟฟ้าไหลผ่าน

21. ข้อควรคำนึงในการเลือกใช้สารทดแทนข้อควรคำนึงในการเลือกใช้สารทดแทน

22. สิ่งที่ต้องคำนึงเมื่อเปลี่ยนวัสดุสิ่งที่ต้องคำนึงเมื่อเปลี่ยนวัสดุ • ต้นทุน • ค่าวัสดุ, ค่าเครื่องจักร, ค่าน้ำ, ค่าไฟ, ค่าการจัดการของเสีย, etc • ความปลอดภัย • Fire hazard, Electric shock, Abnormal operation, etc. • สมรรถนะ • ทางความร้อน ทางกล ทางไฟฟ้า ทางเคมี และทางโครงสร้าง(โดยเฉพาะโครงสร้างจุลภาค) เป็นต้น

23. สิ่งที่ต้องคำนึงเมื่อเปลี่ยนวัสดุ (2) • ความเชื่อถือได้ • เสถียรภาพ, การทนการกัดกร่อน ความล้า การทนต่อความชื้น การรับแรง การทนการสั่นสะเทือน และการทำปฏิกิริยากับวัสดุอื่น เป็นต้น • Manufacturability • Handling/Strength, Yield/Throughput, Repair/Removal There is NO drop-in solution!!

24. ตัวอย่าง: สารทดแทนตะกั่วบัดกรี • สิ่งที่ควรพิจารณา • อุณหภูมิ • สมรรถนะ • ความนำไฟฟ้า Microstructure ความแข็งแรง ความล้า ความยืดหยุ่น (Ductility) • ความเข้ากันได้กับวัสดุอื่นๆ (Compatibility) • อายุการใช้งานและความเชื่อถือได้ • ต้นทุน • ค่าวัสดุ เครื่องจักร ค่าดำเนินการ เป็นต้น

25. ความก้าวหน้าและแนวโน้มสารทดแทนที่สำคัญความก้าวหน้าและแนวโน้มสารทดแทนที่สำคัญ สารหน่วงการติดไฟ ตะกั่วบัดกรี

26. ทางเลือกทดแทนสาร PBB และ PBDEs • ทางเลือกระยะสั้น • เนื่องจากสารหน่วงการติดไฟที่มีองค์ประกอบของโบรมีนถูกระงับใช้เพียงแค่ PBB และ PBDEs ดังนั้นการใช้สารอื่นในกลุ่มเดียวกันแต่ยังไม่ถูกระงับใช้ สามารถทดแทนการใช้งานของ PBB และ PBDEs ได้โดยไม่ส่งผลถึงประสิทธิภาพและค่าใช้จ่ายมากนัก ตัวอย่างเช่น TBBPA • เนื่องจากสารในกลุ่ม PBDEs ที่ถูกระงับใช้อาจจะครอบคลุมเพียงแค่ Penta-BDE เท่านั้น ไม่รวมถึง Octa-BDE และ Deca-BDE ดังนั้น Octa-BDE และ Deca-BDE อาจจะยังคงสามารถใช้งานได้ จาก ดร. จินตมัย สุวรรณประทีป “เทคโนโลยีวัสดุเพื่อสิ่งแวดล้อมครั้งที่ 1” 26 เม.ย. 2545

27. ทางเลือกทดแทนสาร PBB และ PBDEs อย่างไรก็ตามในอนาคตมีความเป็นไปได้ที่สารหน่วงการติดไฟที่มีองค์ประกอบของธาตุในหมู่ฮาโลเจนถูกระบุเป็นสารต้องห้าม จาก ดร. จินตมัย สุวรรณประทีป “เทคโนโลยีวัสดุเพื่อสิ่งแวดล้อมครั้งที่ 1” 26 เม.ย. 2545

28. Halogen free plastics(1) Materials Halogen-free flame retardant in commercial materials Alternative material.Non-flammable or containing halogen-free FR. Epoxy Reactive nitrogen and phosphorus constituents Ammonium polyphosphate and aluminium trihydroxide Polyphenylene sulphide Phenolic resins Nitrogen and Phosphorus compounds Aluminum trihydoxide Unsaturated polyester Ammonium polyphosphate and aluminium trihydroxide ABS No alternative PC/ABS blends or PPE/PS blends with organic phosphorus compounds HIPS Organic phosphorus compounds Polyethylene with magnesium hydroxide จาก ดร. จินตมัย สุวรรณประทีป “เทคโนโลยีวัสดุเพื่อสิ่งแวดล้อมครั้งที่ 1” 26 เม.ย. 2545

29. Halogen free plastics(2) Materials Halogen-free flame retardant in commercial materials Alternative material.Non-flammable or containing halogen-free FR. PBT/PET No alternatives Alternatives at experimental stage Some applications: polyamide,polyketone, ceramics or self- extinguishing plastics Polyamide Magnesium hydroxide Red phosphorus Melamine cyanurate Melamine polyphosphate Polycarbonate Organic phosphorus compounds Polypropylene Ammonium polyphosphate จาก ดร. จินตมัย สุวรรณประทีป “เทคโนโลยีวัสดุเพื่อสิ่งแวดล้อมครั้งที่ 1” 26 เม.ย. 2545

30. Halogen free products Products Commercial halogen-free Materials Price (to BFR) Commercial halogen-free product Epoxy based laminates for printed circuit boards Available Much more expensive Available Phenolic/paper based laminates for printed circuit boards Available About the same Available Housing of electronics Available More expensive Available Electronic component encapsulates Available for some More expensive Available for some Components of PBT/PET Not available - Not available Components of polyamide Available About the same Available for some Wall sockets and mounting boxes Available More expensive Available Rubber cables Available for some More expensive Available for some Other cables Available More expensive Available Sockets for incandescent and fluorescent lamps Available More expensive Available จาก ดร. จินตมัย สุวรรณประทีป “เทคโนโลยีวัสดุเพื่อสิ่งแวดล้อมครั้งที่ 1” 26 เม.ย. 2545

31. สารทดแทนตะกั่วบัดกรี • รายการสารทดแทนที่มีศักยภาพ • ทองแดง (Cu), เงิน (Ag), ดีบุก (Sn), อินเดียม (In), บีสมัท (Bi), แอนติมอนี (Sb) • พิจารณา • ความเป็นพิษ ต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม • ปริมาณสะสมบนโลก และ Supply • กระบวนการถลุง

32. เปรียบเทียบความเป็นพิษของสารทดแทนตะกั่วบัดกรีเปรียบเทียบความเป็นพิษของสารทดแทนตะกั่วบัดกรี Metal Bio-accumulate Carcinogen Birth defects Lead Yes Yes Yes Silver Yes No No Antimony No Yes No Indium No No Yes Bismuth No No No Copper No No No Tin No No No

33. เปรียบเทียบ Availability และ Supply ของสารทดแทนตะกั่วบัดกรี Metal Abundance in Earth’s Crust (ppm) World Production (metric ton) World reserves (metric ton) Price ($/Pound) Lead 12 8.9 million 1.4 billion 0.05 Silver 0.1 16,400 4,372*(US) 80.79 Antimony 0.2-0.5 140,000 2.1 million 0.72 Indium 0.1 240 0 136.35 Bismuth 0.1 7,800 0 3.6 Copper 60-70 37.9 million > 340 million 0.70 Tin 2 431,500 10,700 3.10 Note: ต้นทุนจริงของ Solder Paste เปลี่ยนแปลงน้อยมาก เนื่องจากต้นทุนการผลิต สูงกว่าต้นทุนค่าวัสดุมาก

34. เปรียบเทียบกระบวนการถลุงสารทดแทนตะกั่วบัดกรีเปรียบเทียบกระบวนการถลุงสารทดแทนตะกั่วบัดกรี Metal พลังงานที่ต้องใช้ในการถลุง (MJ/kg) Hazardous material or strong acid in waste Criteria Pollutants Lead 73.7 As, Cd, Pb, Hg, H2SO4 CO, Pb, NOX, Particulates, SOX Silver 3024 As, Cd, Pb, Hg, H2SO4, Possibly cyanide CO, Pb, NOX, Particulates, SOX Antimony > 73.7* As, Cd, Pb, Hg, H2SO4 CO, Pb, NOX, Particulates, SOX Indium > 73.7* As, Cd, Pb, Hg, H2SO4, HCl CO, Pb, NOX, Particulates, SOX Bismuth > 73.7* As, Cd, Pb, Hg, H2SO4 CO, Pb, NOX, Particulates, SOX Copper 69.0 Strong acid CO, NOX, Particulates, SOX Tin 240 Strong acid CO, NOX, Particulates, SOX Note: (*): ปัจจุบัน Sb, In, Bi ได้มาจากการถลุงตะกั่ว ยังไม่มีข้อมูลการถลุงจริง

35. เปรียบเทียบสารทดแทนตะกั่วบัดกรีเปรียบเทียบสารทดแทนตะกั่วบัดกรี Metal Toxicity Availability Extraction Sum Final Rank (1=แย่สุด 7=ดีสุด) Lead 1 6 6 13 5 Silver 2 3 1 6 1 Antimony 3 4 4 11 3 Indium 4 1 3 8 2 Bismuth 5 2 5 12 4 Copper 6 7 7 20 7 Tin 7 5 2 14 6

36. สารบัดกรีที่หน่วยงานชั้นนำแนะนำสารบัดกรีที่หน่วยงานชั้นนำแนะนำ Organization Solder Melting Range (°C) NEMI Sn0.7Cu Sn3.5Ag SnAgCu 227 221-226 217 NCMS Sn3.5Ag Sn58Bi Sn3.4Ag4.8Bi Sn20In2.8Ag Sn3.5Ag0.5Cu1.0Zn 221-226 138 206-213 179-189 ITRI SnAgCu Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb Sn0.7Cu Sn3.5Ag SnBiAg SnBiZn 217 213-219 227 221-226 206-213

37. ตัวอย่างของปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการใช้ Pb-free solder ในปัจจุบัน • Soldering Temperature • Formation of Intermetallic phase • Compatibility • Fatigue, Reliability • Wetting angle • Tin Whiskering • Process Control, Yields, Through-put • Composition Control • Rework/Repair • Recycle

38. ภาพตัวอย่าง Tin Whisker

39. ภาพตัวอย่าง Tin Whisker