电子产业中的绿色设计烤炉

电子产业中的绿色设计

电子产业中的绿色设计 2011年12月03日 来源： 当前在通信，计算和消费行业中，绿色电子是最重要的课题之一。电子产业中的原始设备制造商们（ OEM ）不仅注重能源节约，同时也禁用了一些在塑料中作为阻燃物质的卤化物。整个电子行业现在都在积极行动，换用无卤阻燃塑料。然而，在某些领域，这可能会在产品的机械性能和流动性能，以及对于整体系统而言在成本方面对OEM厂商以及连接器制造商造成重大的影响。因此，对于某些通常使用在连接器和插座的耐高温塑料来说，在短期内找到快速的解决方案几乎是不可能的。此外，按照新解决方案生产的连接器往往需要重新进行全功能的验证，这其中也包括在模具方面的重大修正。本文探讨了各种不同的绿色设计，这些设计既使用了无卤素塑料又不损害产品的性能，安全性好，低成本，同时也不必对连接器重新进行认证或者更换系统，重塑模具。本文直接采用了全新的IEC62368 标准，该标准已为全球领先的各大OEM厂商所采用，并且基于本文所提供的绿色设计方案，使他们制造的产品中不再含有卤素。简介多年来原始设备制造商（OEM）以及连接器制造商一直有对塑性材料有着各种明确的规定，使其满足针对各种塑料，连接器以及插座UL94 - V0 阻燃性标准要求。这种通用的规定，使我们可以在任何实际的应用场合中使用相同规格的连接器和插座，而没有必要做进一步的区分。此外，它还可以为连接器的设计人员提供更为广阔的安全设计空间。这种方法简单易行，不过也存有弊端---在很多应用领域中，这种标准的要求是超出标准甚多的。为使塑料阻燃, 业内普遍使用某些卤代化合物（例如各类溴化阻燃剂，简称BFR）作为塑料阻燃剂。聚氯乙烯（ PVC ）被广泛地应用于电缆及电线的制作行业中，充当高效率阻燃剂的作用。BFR 和 PVC 在终端客户的日常使用中具有非常显著的阻燃（FR）效果，其阻燃性是无可挑剔的。同时它们在性能—安全的平衡方面表现也很出色。然而一旦电子设备的使用寿命结束，对此类塑料的不恰当焚烧（低于 800 ° C）就会对健康造成危害，对环境造成污染，此类问题已经引起越来越广泛的关注。因此，作为保护环境行动的一部分，许多OEM 厂商设置了禁用含卤塑料的最后期限。要转换为无卤塑料并不容易，其意义不亚于早期的电子行业中的无铅化革命，然而留给它的实施时间却要短得多。首先，这是对供应链的一大挑战；其次，在无卤阻燃剂的可靠性方面并没有进行较长期的检验。此外，高温无卤塑料不能简单地就替换掉现有的卤代塑料阻燃剂。我们需要结合产品的机械性能，流动性以及成本等因素进行综合考虑，以满足设计和环境的要求。包括DSM 在内的塑料供应商们正在积极采取各项行动以解决这一难题。我们DSM 已整装待发，对业内无卤聚酰胺的使用情况有超过15 年的跟踪记录。结合我们自己的经验以及我们对国际电工委员会（ IEC ）的直接参与和加入，我们理解大家为什么极力推荐使用新的IEC 行业标准，IEC62368。该标准对新电子产品进行了规定，要求其在设计过程中必须把环保作为考虑的项目。这种设计也因此被称为绿色设计。这是一条通向快速、高效而低成本的绿色电子产品的捷径。绿色电子产品是安全的，而且对环境不构成任何威胁。鉴于连接器和插座是目前最为的关切领域，本文将重点探讨这些部件的绿色设计。当前，IT 和音频/视频设备遵循两个不同的IEC 标准，IEC 60950-1 和 IEC 60065 。IEC 62368协调了这两个标准，涵盖了IT 以及音频/视频的应用领域。从2009 年1 月开始，OEM 厂商们将有5 年时间来采用这一新标准。新的IEC 标准对不同的应用做了区分，为设计者供了更加快捷行的解决方案。鉴于换用新标准的行动，IEC 也在考虑存在的外部火源（例如蜡烛）造成危害的可能性，因为距离过近时，电器可能被意外点燃。图1 IEC62368 规格处理了有关电器着火的问题，其中包括内部火源和外部火源两方面。

图1 新IEC 标准概述（示意图）

火源一般有两种：一种是由于电气设备内部部件（例如部件故障）引起的燃烧，另一种是由于外部因素（例如蜡烛）意外放置过近或直接接触电气设备引起的燃烧。如果是内部火源，设计人员可以通过两种方式来采取预防措施：设计出自身防火的设备，或者设计出能够避免火势蔓延的设备。综上所述，IEC62368 标准对内部和外部连接器进行了区分，并且通过一些实例以快速地将标准与实际应用相结合。内部连接器一个内部火源的燃烧与蔓延主要取决于电路的电力水平。如图2 所示，根据对电力水平可以将电路划分为三类，PS1, PS2 和PS3。

图2 ：IEC62368 将电源等级划分为3 种，PS1, PS2, 和 PS3

图3 展示了电源对燃烧的影响

图3 电源对燃烧的影响

PS1 是一个非潜在火源（PIS）。此类电路电力过低，不会造成任何燃烧。与此相对，PS2 和PS3的电路则有可能会产生电弧燃烧（例如，在两个连接器插针之间引发的燃烧）或者电阻燃烧（例如由于半导体元件过热而引发的燃烧）。电路中的电力水平与潜在的火灾风险之间的区别与联系十分重要，因为它可以为工程师在设计一项新应用的初期提供强大的绿色设计理论支持。所有可能的电子连接器都可分两类：内部连接器和外部连接器，并参考IEC 的建议对其阻燃性能进行描述。对于内部连接器，设计人员有两种不同的选择，可以根据自己的喜好做出决定。他们可以选择走“防止燃烧”的途径，也可以选择走“控制燃烧”的途径，两者都是根据IEC 标准制定的可行方案。要提供最安全的阻燃电子设备，只需遵循两者之一即可。

图4：防止燃烧，内部连接器，根据IEC62368 规定，对电力水平的分类和内部连接器的阻燃要求进行界定来防止点火。列举一些连接器和应用实例进行说明

让我们从防止燃烧案例开始：图4 列举了不同应用场合的一些实例，向我们展示了如何防止内部连接器点火。很明显，PS1 不需要任何阻燃剂。所有这些低功率电路，相关的内部连接器都可以采用UL94-HB 评级。任一HB 级别的连接器，不论在形状，重量，颜色和制造商上存在何种差异，都可以用在很多不同领域中得到应用，例如手机，全球定位系统导航器，相机， MP3 播放器或PDA 。根据此提议可以立即实施绿色设计。各种各样的此类HB级别的材料有很多供应商，包括DSM，全球领先的等高温聚酰胺材料的供应商（如Stanyl），系統商的设计人员或者连接器的制造商可以根据电气和机械性能的要求自行进行选择。因此，设计人员不仅可以直接接触适合于高温应用的绿色塑料，而且也可以充分利用这些资源，在机械，电子和流动性能之间寻求最佳的平衡。这些HB级别的耐高温聚酰胺同时也具有较高的韧性，更好的抗紫外线稳定性，CTI值更高，并且不添加任何额外的系统成本。由于PS2 和 PS3 电路拥有足够大的功率点燃连接器插针之间的隔离塑料等可燃材料，需要采取预防措施，防止燃烧。在这种情况下，连接器/插座根据所使用的可燃材料的重量进行了区分。只有在连接器中含有的塑料超过4克的情况下，IEC才推荐使用最低达到UL94-V1级的阻燃剂。典型实例为家用电脑的的主电源连接器或CPU插槽。在PS2 和 PS3的应用中，也有一些非潜在火源的连接器/插座。当多连接器/插座相互连接，或者在电路中使用了其它部件如转换器时便会出现这种情况。在这种非潜在火源的情况下，连接器/插座就不会自己燃烧，唯一的内部火源来自其他部件。因此，关键的安全预防措施就是远离其它潜在火源。如果距离超出50毫米，那么这个连接器/插座就远离了危险距离，可以设计为UL94-HB级别的材料，而不用考虑重量因素。如果连接器/插座在50毫米之内，临近潜在火源，则可能发生燃烧。如果其重量小于4克，或处于防火屏障内，则可以使用UL94-HB级别的材料。如果重量大于4克，则至少需要使用UL94-V1作为这些连接器/插座隔离材料的标准。

图5：控制火势蔓延，内部连接器。根据IEC62368 规定，对电力水平的分类和内部连接器的阻燃要求进行界定来控制火势蔓延。列举了一些典型的连接器及应用实例进行说明

图5展示了一旦某个部件燃烧，控制火势蔓延的绿色设计方针。在PS1电路中，按照IEC的标准要求，我们可以直接选用UL94-HB材料。PS2 或 PS3中的潜在火源根据连接器的容积和承载连接器/插座的材料的阻燃性进行了分类。由于所有标准PCB均为UL94-V0，如果体积小于1750mm3. 连接器/插座可以用UL94-HB标准。如果体积超过这一数值，则至少需使用UL94-V1标准。CPU插槽就是一个实例。若在PS2 ， PS3 电路中没有潜在火源，且距PIS 的距离大于50 毫米，则设计人员可以选择UL94-HB 标准。如果距离小于50 毫米，而且连接器/插座安装在阻燃级别高于UL94-V1 的PCB上，则不论其它因素如何都可以选择UL94-HB 标准；如果连接器/插座中的可燃塑料的重量低于4克，或者电路上有金属盒之类的防火屏障，也可以采用相同的标准。设计师有时会使用金属外壳保护关键的PCB 区域，防止电磁干扰。这些外壳通常也可以用作防火屏障。对于一个非潜在火源的连接器来说，如果没有防火屏障，并且连接器的重量大于4克，则推荐至少使用UL94-V2标准的阻燃剂。请注意，阻止燃烧与控制火势蔓延两种不同的解决途径在方法上存在有明显的区别。设计人员负责对两种方案进行选择，或者由制造商根据设计策略对两者进行取舍。

图6：现有潜在火源在家用电脑主板等行业典型的应用实例。其它部件与图示部件的间距将决定它们是否需要使用阻燃剂。

图6大致地描绘了家用电脑主板上的潜在火源区域关键的高功率区域指主要电源连接器， CPU 和以及南、北桥芯片。毫无疑问，使用在这里的连接器和插座至少需要采用UL94-V1 标准。然而，根据IEC 标准，连接器和插座的重量大于4 克，而且在距离该潜在火源50 毫米的范围内，都具有较高的燃烧风险。根据参考的设计使用水平，以及应用的复杂性和具体限定，也有可能将其它部件与潜在火源的间距增加到50 毫米以上。例如，在空间紧密的应用实例中，例如笔记本电脑，存储插口和图形处理器之间的距离问题就非常关键，因为有限的空间范围内，距离的增大会对数据的传输速率产生负面影响。OEM 的设计人员在这方面的经验都丰富，可以估算出哪里存在有增大间距的可能性。如果该可能性不存在，正如我们所看到的，设计人员会寻求UL94-V0 或 V1 级的无卤塑料作为解决方案。DSM 的无卤阻燃剂Stanyl 已向很多此类的OEM 厂商送出样品，试用结果非常令人满意。外部连接器新的IEC62368标准也包含了应对已存在的外部火源（例如燃烧的蜡烛）可能引起燃烧的情况下采用的安全标准。在我们的日常生活中，随着电子产品的不断增多，新的标准从功能和形式上进一步考虑了电气产品的安全性要求，这可以说是一个巨大的进步。图7中描述了所有可能接触已有火源的外部连接器的绿色设计选择方案。在这里，我们应该考虑的主要参数，就是电子设备底盘上的可燃物质的总重量。如果该重量小于300 克， IEC 标准建议所有此类外部连接器使用UL94-HB 级的材料。典型的应用实例为移动电话，相机， PDA 或GPS 导航仪——此类设备的塑料外殼都不超过150 克。如果外殼的重量大于300 克，IEC 标准建议外部连接器至少使用UL94-V1 级的阻燃剂。

图7：根据IEC62368规定，对外部连接器的阻燃要求进行界定，并列举了一些连接器和应用实例进行说明。*:在IEC正式推出新标准前将对本部分做适当修改

结论以及新的趋势我们相信，新的IEC62368标准将为未来实施充足的安全标准奠定坚实的基础，并在产品设计的早期便可以避免潜在的产品规格过于细化的弊端。作为选择材料的标准，从设计指导的意义上说，新的标准可以为OEM厂商实施绿色设计提供很大的帮助。在电子产品的行业中，手机制造业率先采用新标准，实施无卤化变革。2006年出现了首家采用新标准的主流手机制造商，使用绿色设计。一年前，另一家主流的手机制造商也加入了这一行列。而在距离首家制造商采用新标准两年半时间之后的今天，几乎所有的主流手机制造商都在为他们的连接器实施阻燃方面的变革，根据不同的应用领域使用不同的材料，而不是当初的一刀切处理。随着无卤塑料的进一步渗透，我们不难发现，第一批研究这一新IEC规定的消费品和电脑OEM厂商也已经开始出现。新的规定使设计人员可以选择适合其应用类型的连接器规格。采用新的标准，避免规格要求的过度细化可以使他们避免成本的增加；而与此相对应的是，另外一些公司在向无卤阻燃塑料的转型过程中，却面临着巨幅的价格增长，同时还存在着潜在的供货问题。我们对这些新标准中的规定很有信心，相信它们不仅会使您保持与以前同样高的安全水平，而且可以帮助您快速完成转型，以低微的成本实现绿色设计的目标。(end)

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