Ø Dyrektywa Unii Europejskiej WEEE ( Waste from Electrical and Electronic Equipment), stanowi przepisy dotyczące:
ü Zakazu stosowania ołowiu w elektronice, począwszy od 1 stycznia 2004 r.
ü Zabezpieczenia istniejących odpadów z elektrycznego i elektronicznego sprzętu, zminimalizowanie ich szkodliwego wpływu na środowisko w trakcie składowania.
Kraje UE mają 1,5 roku na dostosowanie swoich przepisów do prawodawstwa UE w tym zakresie.
Ø Dlaczego ołów ? Jest to pierwiastek zaliczany do tzw. neurotoksyn, czyli trucizn wpływających chorobotwórczo na pracę mózgu. Powoduje on trwałe uszkodzenie komórek mózgu (neuronów) oraz połączeń między nimi. Proces ten wpływa negatywnie na sprawność myślenia a nawet na zmiany osobowości. Ołów wpływa również niekorzystnie na układ krwionośny, powodując niedokrwistość. Obecnie mówi się również o działaniu rakotwórczym i embriotoksycznym ołowiu. W elektronice ołów jest stosowany powszechnie w stopach cynowo - ołowiowych do lutowania wyprowadzeń podzespołów elektronicznych na płytach drukowanych, które często są również pokryte tym stopem. Będąc trudny do odzysku czy recyklingu, bardzo często trafia na wysypiska śmieci, z których może przedostawać się do środowiska naturalnego stwarzając zagrożenie dla całego systemu ekologicznego. Mechanizm przedostawania się ołowiu z wysypisk śmieci do środowiska opiera się o działanie kwaśnego deszczu, który rozpuszczając ołów, przedostaje się do rzek. W ten sposób powstają trujące związki ołowiu, jak azotan ołowiu, który łatwo przenika do gruntu, a dalej do wód gruntowych.
Ø Skala problemu jest duża, o czym może świadczyć choćby to, że w 1995 roku kraje UE wyrzuciły na śmieci ponad 6 mln. ton odpadów elektronicznych, w tym 25 mln. Sztuk odbiorników telewizyjnych. Jeśli spojrzeć na USA, prognozy mówią o złomowaniu ok. 150 mln. Komputerów osobistych do 2005 roku. Kiedy mowa o prognozach, warto wspomnieć, że rośnie ilość sprzedawanego sprzętu elektronicznego. Wprowadzenie więc w życie dyrektywy WEEE, oznacza rewolucję w technologii lutowania.
Ø Dotychczasowe metody lutowania cynowo - ołowiowego posiadają (obok wieloletniej tradycji ich stosowania), dobre właściwości zarówno elektryczne, jak i mechaniczno - wytrzymałościowe, oraz temperaturowe. Nie bez znaczenia jest również ich niska cena i dostępność oraz łatwość stosowania.
Ø Badania nad zamiennikami ołowiu prowadzone na całym świecie - nie tylko w Europie - mają na celu uzyskanie materiału, który będzie mało toksyczny, tani, dostępny (obecność kopalin lub łatwość pozyskiwania w dużej ilości i niskiej cenie a zarazem niskiej toksyczności tego procesu), zbliżone do ołowiu lub lepsze właściwości fizyko - chemiczne (tu szczególnie parametry elektryczne, temperatura topnienia, plastyczność, wytrzymałość mechaniczna). Jeśli powyższe właściwości „przymierzymy” do tabeli pierwiastków, wówczas pozostaje niewielka ich grupa, spośród której można wybrać „kandydata” na zamiennik. Do grupy tej należą takie pierwiastki jak:
· Miedź
· Bizmut
· Srebro
· Antymon
Przebadano około 200 spoiw z potencjalnymi zamiennikami ołowiu na przestrzeni 3 ostatnich lat. W wyniku tych prac, można powiedzieć, że brane są pod uwagę 3 rodzaje bezołowiowych stopów lutowniczych:
· 48 Sn 52 Bi - w Japonii
· 99,3 Sn 0,7 Cu - w Europie
· 96,5 Sn 3,5 Ag - w USA Powyższe związki posiadają następujące temperatury topnienia:
· 48 Sn 52 Bi - 139 ºC
· 99,3 Sn 0,7 Cu - 227 ºC
· 96,5 Sn 3,5 Ag - 221 ºC
Stosowanie wyższej temperatury topnienia będzie związane z używaniem bardziej odpornych na temperaturę elementów elektronicznych oraz płytek drukowanych.
Ø Współczesne badania związana z zamiennikami idą w kierunku uzyskania optymalnego składu materiału lutowniczego złożonego z 3 pierwiastków. Jednak ciągle jest tu mowa o wspomnianych pierwiastkach.
Możemy tu wymienić następujące kompozycje:
· 95,5 Sn 3,5 Ag 0,7 Cu - 217 ºC
· 93,5 Sn 3,5 Ag 3 Bi - (206 - 212) ºC
· 89,5 Sn 10 Bi 0,5 Cu - (190 - 200) ºC
Prace te polegają zatem na znalezieniu optymalnego składu materiału z obrębu wymienionych wcześniej pierwiastków. Spoiwa trójskładnikowe nadają się do użycia jako proszki do past lutowniczych, natomiast nie są zalecana do użycia w agregatach lutowniczych. Powyższe spoiwa trójskładnikowe posiadają zbliżone właściwości elektryczne oraz lepsze mechaniczne w porównaniu do materiału cynowo - ołowiowego.
Zagadnienie wyeliminowania ołowiu z procesu lutowania dotyczy nie tylko połączeń elementów elektronicznych między sobą, ale także metod wykonywania ścieżek na płytach montażowych. Dotychczas stosowana metoda HASL (Hot Air Solder Leveling), korzystająca ze stopu cynowo - ołowiowego do tworzenia ścieżek na płycie, również musi ulec zmianie. Obecnie około 60 % wszystkich płyt drukowanych zawiera ścieżki wykonywane tą technologią. W tej materii prace polegają na korzystaniu z innych niż ołów materiałów do nanoszenia ścieżek. W grę wchodzą takie materiały jak:
Ø Powłoki Ni/Au.
Ø Chemiczna cyna.
Ø Powłoki organiczne.
Ø Powłoki Nikiel/Pallad.
Każdy z powyższych materiałów różni się właściwościami, kosztem oraz technologią nanoszenia. Powłoki z dodatkiem złota wymagają dużego reżimu technologicznego, gdyż ich nie zachowanie może spowodować nieszczelność złotej powłoki, migrację niklu do powierzchni a w konsekwencji utratę lutowności ścieżki. Oprócz tego jest to drogi materiał. Natomiast powłoki organiczne są z kolei narażone na uszkodzenia termiczne, natomiast są tanie. Dlatego najbardziej obiecującą mieszanką do produkcji ścieżek na płytach drukowanych jest obecnie 93,3 Sn 0,7 Cu, ze względy na wysoką temperaturę topnienia. Wówczas stosowanie w procesie lutowania elementów stopów bezołowiowych o wyraźnie niższej temperaturze daje gwarancję uniknięcia uszkodzeń samej płyty oraz podzespołów elektronicznych. Są również prowadzone rozważania nad zmianą w samej technologii nakładania ścieżek na płytę.
W zakresie eliminacji ołowiu z procesu produkcji podzespołów elektronicznych prace są najmniej zaawansowane. Chodzi tutaj głównie o pokrycia wyprowadzeń elementów elektronicznych, gdzie zastosowanie ma ołów. Rozważane są pokrycia złożone z takich materiałów jak:
Ø Sn
Ø Pd/Ni
Ø Au
Ø Ag
Ø Sn/Bi
Najlepsze wyniki - jak dotychczas - pod względem temperaturowych zniszczeń osiągnięto z użyciem cyny. Tego typu pokrycia wyprowadzeń w połączeniu ze złoconymi chemicznie ścieżkami płyt drukowanych, lutowanych pastami bezołowiowymi typu 99,3 Sn 0,7 Cu oraz 96, 5 Sn 3,5 Ag, dawały najlepsze rezultaty.
Jednak badania nad zastosowaniem pokryć wyprowadzeń elementów elektronicznych materiałem SnPb z jednoczesnym zastosowaniem past bezołowiowych w procesie lutowania, powoduje znaczny spadek wytrzymałości termicznej połączeń. Obecność ołowiu - choćby w niewielkim stopniu, powoduje znaczne obniżenie jakości połączenia. Dlatego parce w kierunku wyeliminowania ołowiu nie mogą skoncentrować się jedynie na wyeliminowaniu go z niektórych etapów procesu wytwarzania urządzeń elektronicznych, jak nanoszenie ścieżek i lutowanie, gdzie ilość ołowiu jest największa, lecz na wszystkich etapach procesu produkcji. Inny problem, jaki pojawił się podczas procesu lutowania „na fali” stopami cyna bizmut to tzw. Zjawisko lift - off. Polega to na odrywaniu się lutowia cynowego zawierającego powyżej 5 % Bi od podłoża miedzianego. Zjawisko to jest wywołane mikrosegregacją bizmutu i gromadzeniem się jego nadmiaru przy powierzchni połączenia lutowniczego, wskutek czego powstaje dodatkowa warstwa pomiędzy podłożem a lutowiem, która uniemożliwia połączenie się lutowia z podłożem. Kolejnym problemem, jaki pojawił się w przypadku lutowania bezołowiowego jest nadmierne utlenianie się lutów bezołowiowych. Prowadzi to w przypadku lutowania „na fali” do powstawania żużlu, który tworzy się 3 - 5 razy szybciej niż dla stopów ołowiowych.
Do sukcesów w montażu lutami bezołowiowymi można zaliczyć lutowanie rozpływowe z użyciem pasty 95, 5 Sn 4 Ag 0,5 Cu wraz z topnikiem niezawierającym haklogenków. Proces montażu PLCC oraz rezystorów i kondensatorów typu chip był przeprowadzany na płytach pokrytych Au/Ni oraz chemicznie srebrzonych. W tym celu była wykorzystana standardowa linia SMT. Również pozytywne wyniki dał proces lutowania podzespołów w obudowach BGA i μBGA kulkami lutowia bezołowiowego 95,5 Sn 3,8 Ag 0,7 Cu na podłożu złoconym.
Ø
Lutowanie
falą lutowniczą:
W kąpieli lutowniczej znajduje się komora pompowa, która przepompowuje cynę z regulowanym ciśnieniem poprzez dysze spiętrzające z dobieralnymi wymiarami. W tej fali lutowniczej powstaje wolna od żużla powierzchnia cyny, w której można bardzo czysto lutować obrabiane elementy. Taki sposób lutowania jest szczególnie przydatny dla płytek obwodów drukowanych.
Na zakończenie warto również wspomnieć o technologii ormecon csn - jest to pierwszy procese cynowania zanurzeniowego, który pod względem niskich kosztów produkcji i znakomitych właściwości przewyższa proces złocenia chemicznego Ni/Au.
Bardzo wysoka jakość powierzchni ORMECON CSN wynika z zastosowania Metalu Organicznego ORMECON, który tworząc powłokę na wytrawionej powierzchni miedzi, umożliwia katalityczne osadzanie się cyny chemicznej. W wyniku procesu ORMECON CSN powstaje warstwa cyny o zdecydowanie krystalicznej strukturze, charakteryzująca się bardzo dużą odpornością na procesy starzenia i utleniania. Z nowej technologii cynowania zanurzeniowego wypływa wiele znaczących korzyści zarówno dla producentów obwodów drukowanych jak i zakładów montażu: dłuższa żywotność, odporność temperaturowa, gwarantowana lutowność oraz większe bezpieczeństwo pracy.
|
Właściwości powłoki bezołowiowej ORMECON
CSN |
|
|
Właściwość |
Efekt |
|
1. Pierwszorzędna lutowność |
brak resztek topnika, pasta lutownicza pracuje prawidłowo |
|
|
|
|
2. Osad cyny jest bardziej gęsty |
rozproszenie znacznie ograniczone ograniczony efekt starzenia znacznie ograniczone utlenianie większe bezpieczeństwo procesu szerokie okno przerobowe |
|
|
|
|
3. Płaska i jednolita powierzchnia |
Możliwość gęstego montażu i miniaturyzacji |
|
|
|
|
4. Wytrzymuje wielokrotne cykle cieplne |
Szerokie okno przerobowe |
|
|
|
|
5. Bardzo długi czas leżakowania |
Szerokie okno przerobowe |
|
|
|
|
6. Jakość i grubość powłoki można testować |
sprzężenie zwrotne jakości powłoki lepsza kontrola procesu |
|
|
|
|
7. Możliwość testowania elektrycznego |
Możliwość testowania elektrycznego |
|
|
|
|
8. Powłoka widoczna optycznie |
natychmiastowa diagnoza wszelkich problemów związanych z powierzchnią miedzi przed pokrywaniem większe bezpieczeństwo procesu |
|
|
|
|
9. System 1 metalu |
brak metalu, który może zanieczyścić urządzenia do lutowania na fali |
|
|
|
|
10. Efektywny kosztowo |
ekonomicznie dopuszczalny jako substytut procesu HAL |
|
|
|
|
Porównanie ORMECON CSN z innymi procesami
cynowania zanurzeniowego |
|
|
|
|
|
ORMECON CSN |
Standardowe procesy cynowania
zanurzeniowego |
|
|
|
|
długotrwała lutowność |
krótkotrwała lutowność |
|
|
|
|
wysoce krystaliczna struktura |
małe kryształki, mniejsza krystaliczność |
|
|
|
|
gładka powierzchnia |
szorstka powierzchnia |
|
|
|
|
gęsta struktura |
porowata struktura |
|
|
|
|
mała powierzchnia - trudna do zaatakowania |
duża powierzchnia - łatwa do zaatakowania |
|
|
|
|
brak dyfuzji cyna - miedź |
dyfuzja cyna - miedź |
|
|
|
|
duża odporność na utlenianie |
tworzenie się
tlenków międzymetalicznych |
Źródła:
Kisiel R., „Właściwości użytkowe lutowi bezołowiowych”, Elektronika vol. 3, nr 8, 1995, 15.
http://www.innovator.com.pl/karty/soft_solders-lutowia_miekkie.pdf
http://www.npl.co.uk/ei/news/epparticle.html
http://www.furukawa.co.jp/english/what/xna010115_e.htm
http://www.pbfree.com/pdf/ica_authored_papers/implement_pbfree.pdf
http://www.thomasklein.de/polnisch/pol_loet_reef/d_loet_reef_anlage.htm
http://www.pcb.elblag.pl/oferta.php