Dyrektywa RoHS a trwałość urządzeń elektronicznych

Europejska Dyrektywa RoHS (Restriction of Hazardous Substances), która weszła w życie 01 lipca 2006 roku miała zadanie zmniejszenia ilości szkodliwych substancji przedostających się do środowiska, których źródłem są odpady elektroniczne. Innymi słowy, związana była z wykorzystaniem przez przemysł elektroniczny substancji uważanych za niebezpieczne.

Wśród wymienionych w dyrektywie obostrzeń dotyczących metali ciężkich: kadmu, rtęci oraz chromu, znalazły się także restrykcje dotykające ołowiu, będącego składnikiem używanych w przemyśle elektronicznym stopów lutowniczych (cynowo-ołowiowych). Stopy tego rodzaju wykorzystywane są m.in. z powodu odpowiednich parametrów temperaturowych - niska temperatura topnienia spoiwa lutowniczego zabezpiecza elementy elektroniczne przed przegrzaniem podczas procesu produkcyjnego, a co za tym idzie zmniejsza możliwość uszkodzenia podzespołu. Przede wszystkim jednak ołów, w kontekście omawianego tutaj życia produktu, ma korzystny wpływ na trwałość połączenia lutowniczego, a więc długą i bezawaryjną pracą urządzenia.

Lutowanie bezołowiowe a trwałość urządzeń elektronicznych

Lutowanie bezołowiowe rodzi różne komplikacje. Wymaga, wspomnianych już, wyższych temperatur niosących ryzyko wystąpienia wymienionych problemów (wysokie temperatury generują występujące z czasem uszkodzenia wielu wrażliwych podzespołów elektronicznych), a także utrudnień podczas lutowania, cechujących się specyficznym “kulkowaniem” związanym z większym napięciem powierzchniowym. Jednym z podstawowych powodów dodawania ołowiu jest jednak możliwością pojawienia się tzw. wąsów cynowych (tin whiskers). To generowane wraz z upływem czasu na powierzchni spoiwa igłowe struktury powodujących zwarcia w obwodach, mające zatem bezpośredni wpływ na długość okresu bezawaryjnej pracy urządzenia.

Lutowanie bezołowiowe związane jest także z ryzykiem wystąpienia tzw. zarazy cynowej. To rodzaj przemiany strukturalnej, która zachodzi w cynie poddanej działaniu niskich temperatur. Cyna staje się wówczas krucha, traci swoją przyczepność i odpada od łączonych powierzchni (przy – 40 stopniach rozpad zabiera jedynie około 20 godzin). Wpływ na trwałość urządzenia elektronicznego jest tutaj oczywisty. Tymczasem dodanie ołowiu do spoiwa, który jest w tym przypadku inhibitorem, powstrzymuje dokonanie tego typu przemiany. Należy wspomnieć, iż spoiwo bezołowiowe jest ziarniste, a taka struktura utrudnia wykrywanie tzw. zimnych lutów, czyli przerw w połączeniach wynikających z oderwania się spoiwa od powierzchni łączonych.

Tyle teoria, czy jednak występująca w ekstremalnie niskich temperaturach przemiana oraz inne okoliczności mogą mieć decydujące znaczenie dla długości życia przeciętnego urządzenia, innymi słowy, jak wyeliminowanie ołowiu może wpłynąć w praktyce na jakość sprzętów elektronicznych?

W przypadku elektroniki konsumenckiej wymienione argumenty można uznać za mało istotne. Cykl życia urządzeń należących do tej kategorii sprzętów jest zdecydowanie krótszy niż czas potrzebny do wystąpienia wspomnianych trudności. Ze względu na postęp technologiczny i działania marketingowe podlegają one znacznie szybszej rynkowej rotacji. Inaczej jednak wygląda sytuacja w przypadku aparatury medycznej czy innych urządzeń z kręgów specjalistycznych, gdzie wymagane są znacznie dłuższe okresy eksploatacyjne oraz działanie w trudniejszych warunkach; wystąpienie tego rodzaju problemów może mieć tutaj kluczowe znaczenie.

Poważne komplikacje mogą także wynikać z niższej odporności stopów bezołowiowych na przeróżne naprężenia mechaniczne, którym poddawane są zwłaszcza płyty główne urządzeń mobilnych. Szczególnie narażone na mikropęknięcia i utratę połączeń są wyprowadzenia układów BGA. Układy tego rodzaju łączone są do płyty głównej powierzchniowo za pomocą niewielkich kulek spoiwa lutowniczego umieszczanych na jego spodniej stronie. Naprężenia przenoszone są na płytę główną urządzenia z obudowy, poprzez jej niewielkie odkształcenia, które pojawiają się w procesie eksploatacyjnym (brak odpowiedniej sztywności obudowy, wstrząsy, uderzenia). Zerwanie połączeń prowadzi oczywiście do awarii. Tego rodzaju defekty mogą być związane także z rozkładem naprężeń spoiwa wynikającym ze współczynnika rozszerzalności cieplnej stopu. Wahania temperatury wewnątrz urządzenia mają istotny wpływ na zmęczenie materiału i odporność na uszkodzenia spoiwa lutowniczego. Stopy bezołowiowe wykazują mniejszą odporność na wymienione czynniki, i są przez to bardziej podatne na wszelkiego rodzaju mikropęknięcia.

Aby wyeliminować bądź ograniczyć trudności wynikające z zakazu stosowania ołowiu w stopach lutowniczych wykorzystuje się oczywiście inne substancje mające realizować zadania wypełniane wcześniej przez ołów. Wydaje się jednak, iż nie jest łatwe zastępowanie ołowiu, także (a może zwłaszcza) w kontekście niskich kosztów spoiw lutowniczych produkowanych z jego udziałem.