Cyna bezołowiowa w urządzeniach elektronicznych

Dyrektywa RoHS (Restriction of Hazardous Substances) obowiązująca w obszarze Unii Europejskiej od 01 lipca 2006 roku ma zadanie ustawowej regulacji użycia szkodliwych substancji w produkcji przemysłowej. Swymi zarządzeniami wprowadza m.in. zakaz wykorzystania metali ciężkich, w tym ołowiu, będącego składnikiem używanych w przemyśle elektronicznym cynowo-ołowiowych stopów lutowniczych.

Lutownicze stopy ołowiowe charakteryzuje szereg korzystnych dla połączeń elektronicznych cech - posiadają odpowiednią lejność, podwyższoną odporność na korozję, wykazują trwałość, a przede wszystkim niską temperaturę topnienia, co stanowi zabezpieczenie elementów elektronicznych przed przegrzaniem podczas procesu produkcyjnego.

Wyeliminowanie ołowiu stwarza szereg trudności. Wymóg podwyższenia temperatury podczas łączenia elementów niesie ryzyko uszkodzenia podzespołu i skrócenia okresu bezawaryjnej pracy urządzenia (wiele elementów elektronicznych źle znosi przegrzanie). Utrudnienie stanowi także tzw. “kulkowanie” wynikające z dużego napięcia powierzchniowego podczas lutowania bezołowiowego. Powstawać mogą różnych rozmiarów kulki kapilarne, na co wpływa m.in. niedostateczna lejność czy fluidyzacja topnika w trakcie rozpływu stopu lutowniczego. Wiązania bezołowiowe są matowe i ziarniste, co z kolej stwarza trudności podczas wykrywania wadliwych połączeń, tzw. zimnych lutów. Kłopotliwe może być także pojawiania się tzw. “wąsów cynowych”. Stopy bezołowiowe mają tendencją do generowania na powierzchni spoiwa swoistych struktur igłowych, które mogą wywoływać zwarcia w obwodach połączeniowych. Lutowanie bezołowiowe stwarza także zagrożenie wystąpienia tzw. “zarazy cynowej”, zjawiska polegającego na przemianie strukturalnej cyny, do której dochodzi w niskich temperaturach (w temperaturze poniżej -40 stopni rozkład zajmuje niewiele ponad 20 godzin). Cyna wówczas staje się krucha, traci przyczepność i odpada zrywając połączenia. Ołów, który jest w tym przypadku inhibitorem, zapobiega powstaniu takiego zjawiska. Stopy bezołowiowe posiadają także niższą odporność na wszelkiego rodzaju naprężenia mechaniczne. Jest to o tyle istotne, że podczas łączenia powierzchniowego (kulki lutownicze) układu BGA niewielkie odkształcenie podłoża w czasie eksploatacji może doprowadzić do przerwania połączenia układu i awarii urządzenia.

Wymienione trudności były dla branży elektronicznej sporym wyzwaniem, wymagającym wprowadzenia nowych materiałów, technologii, maszyn i urządzeń produkcyjnych. Stopy ołowiowe są tanie, a ich zastąpienie wymaga znacznie większych nakładów finansowych. Jako substytut ołowiu pojawiły się srebro, miedź, bizmutu i antymon. Wśród pierwiastków mogących odegrać pewną rolę biorąc pod uwagę temperaturę topnienia, toksyczność, odporność, cenę i dostępność, w dalszej kolejności należałoby wymienić także ind, cynk oraz aluminium. Dostępność bizmutu oraz antymonu jest niestety ograniczona, a wzrost popytu wywołuje podniesienie ceny. Antymon uznawany jest ponadto za szkodliwy dla zdrowia. Produkcja indu okazała się niewystarczająca do zaspokojenia potrzeb wynikających z wyeliminowania ołowiu. Cynk i aluminium podlegają niestety szybkim procesom utleniania podczas eksploatacji. Srebro, choć uznawane za toksyczne, okazało się jednak wystarczająco dostępne. W związku z tym, że stopy bezołowiowe muszą zawierać nawet do ok. 95% udziału cyny, zrodziło się także pytanie dotyczące wystarczającej dostępności zasobów tego pierwiastka. W ostatnich latach zarejestrowano kilkaset wniosków patentowych dotyczących bezołowiowych stopów lutowniczych. Do zastosowań elektronicznych i elektrotechnicznych najczęściej wykorzystywane są obecnie stopy srebra i miedzi: 3,5–4,0% Ag, 0,45–0,9% Cu oraz 2,5–3,5% Cu.