Bezołowiowe technologie lutowania: luty SAC i kleje przewodzące

Od dziesięcioleci lut ołowiowo-cynowy jest używany do zabezpieczania elementów elektronicznych, lutowania płytek drukowanych. Poważne niekorzystne skutki zdrowotne związane ze stosowaniem ołowiu zapoczątkowały energiczne wysiłki przemysłu elektronicznego w celu znalezienia substytutów lutu ołowiowego. Naukowcy uważają teraz, że odkryli pewne obiecujące możliwości: alternatywne luty wykonane ze stopów i kompozycji polimerowych znanych jako klej przewodzący.

Lutowanie jest podstawą produkcji elektroniki. Ołów doskonale sprawdził się jako lut. Prawdopodobnie cała elektronika jest zaprojektowana w oparciu o temperaturę topnienia i właściwości fizyczne ołowiu. ja prowadzę — tworzywo sztuczne, nietłukące i dlatego łatwe w obróbce. Kiedy ołów jest połączony z cyną w odpowiednich proporcjach (63% cyny i 37% ołowiu), stop ma niską temperaturę topnienia 183 stopni Celsjusza, co jest kolejną zaletą.

Podczas pracy w niskiej temperaturze procesy lutowania lepsza kontrola nad technologią produkcji złącza, a spawane elementy nie są wrażliwe na najmniejsze odchylenia temperatury. Niskie temperatury oznaczają również mniejsze obciążenie sprzętu i materiałów (płytek drukowanych i komponentów), które nagrzewają się podczas montażu, oraz wyższą produktywność w produkcji elektroniki dzięki krótszym czasom nagrzewania i schładzania.

Główną zachętą dla przemysłu elektronicznego w Europie do rozpoczęcia stosowania lutów bezołowiowych był zakaz ołowiu nałożony przez Unię Europejską. Zgodnie z ograniczeniem dyrektywy w sprawie substancji niebezpiecznych ołów musiał zostać zastąpiony innymi substancjami do 1 lipca 2006 r. (dyrektywa zakazuje również rtęci, kadmu, sześciowartościowego chromu i innych substancji toksycznych).

Wszystkie elementy elektroniczne zawierające ołów są obecnie zakazane w Europie. W związku z tym prędzej czy później Rosja również będzie musiała przejść na bezołowiowe technologie połączeń w elektronice.

Ołów, z punktu widzenia ochrony środowiska, nie stanowi problemu sam w sobie, o ile jest zawarty w sprzęcie elektronicznym. Jednak gdy komponenty elektroniczne trafiają na wysypiska śmieci, ołów może zostać wypłukany z gleby składowiska i przedostać się do wody pitnej. Ryzyko wzrasta w krajach, w których e-odpady są masowo importowane.

Na przykład w Chinach pracownicy bez wyposażenia ochronnego, w tym wiele dzieci, zajmują się demontażem (lutowaniem) materiałów nadających się do recyklingu z elementów elektronicznych. W Rosji nawet dzisiaj luty ołowiowe są bardzo powszechne w niezautomatyzowanej produkcji elektroniki.

Szkodliwy wpływ ołowiu na zdrowie człowieka, nawet w niewielkich ilościach, jest dobrze znany: zaburzenia układu nerwowego i pokarmowego, szczególnie wyraźne u dzieci, oraz zdolność ołowiu do gromadzenia się w organizmie, powodując ciężkie zatrucia.

Producenci elektroniki zaczęli szukać alternatywnych lutów już w 1990 r., kiedy to dyskutowano nad ratyfikowanymi obecnie propozycjami zakazu ołowiu w USA. Eksperci z branży elektronicznej przejrzeli 75 alternatywnych lutów i zawęzili tę listę do pół tuzina.

Ostatecznie zdecydowano się na połączenie 95,5% cyny, 3,9% srebra i 0,6% miedzi, znanego również jako lut SAC (skrót od pierwszych liter pierwiastków Sn, Ag, Cu), zapewniającego większą niezawodność i łatwość działanie jako zamiennik lutu ołowiowo-ołowiowego. Temperatura topnienia lutu SAC wynosi 217 stopni, jest zbliżona do temperatury topnienia konwencjonalnego lutu ołowiowo-ołowiowego (183...260 stopni).

Bezśrubowy lut

Luty SAC są obecnie szeroko stosowane w przemyśle morskim. Wprowadzenie nowych rodzajów lutu wymagało dużego wysiłku ze strony firm elektronicznych. Eksperci obawiali się, że na początkowym etapie wprowadzania lutów bezołowiowych możliwy jest wzrost awaryjności produktów elektronicznych.

W związku z tym sprzęt, który ma wpływ na życie i bezpieczeństwo ludzi, na przykład elektronika dla szpitali, jest produkowany przy użyciu starych technologii. Zakaz stosowania lutu ołowiowego nie dotyczy również telefonów komórkowych i aparatów cyfrowych. Nie ma również ostatecznej odpowiedzi na pytanie o całkowite bezpieczeństwo nowych lutów na bazie srebra — ten metal jest toksyczny dla zwierząt wodnych.

Topnik bezołowiowy

Sekcja. 1.Charakterystyka porównawcza niektórych lutów SAC i lutu cynowo-ołowiowego

Bardziej odważną eksperymentalną alternatywą dla lutowania lutu ołowiowego jest użycie klejów przewodzących prąd elektryczny... Są to polimery, silikon lub poliamid zawierające małe płatki metali, najczęściej srebra. Polimery sklejają elementy elektroniczne, a płatki metali przewodzą prąd.

Kleje te mają wiele zalet. Przewodność elektryczna srebra jest bardzo wysoka, a jego opór elektryczny niski. Temperatura wymagana do nakładania klejów montażowych do PCB jest znacznie niższa (150 stopni) niż ta wymagana dla lutów na bazie ołowiu. Dlatego po pierwsze oszczędzana jest energia elektryczna, a po drugie elementy elektroniczne są mniej narażone na nagrzewanie się, w wyniku czego wzrasta ich niezawodność.

Fińskie badania zaprezentowane w 2000 roku na IV Międzynarodowej Konferencji Technologii Klejów i Powłok w Przemyśle Elektronicznym pokazują, że kleje przewodzące prąd elektryczny tworzą jeszcze mocniejsze wiązania niż tradycyjne luty.

Jeśli naukowcom uda się zwiększyć przewodność elektryczną takich klejów, mogą one całkowicie zastąpić tradycyjne luty. Do tej pory materiały te były stosowane w niewielkiej liczbie małych związków przewodzących natężenie w amperach — do lutowania wyświetlaczy ciekłokrystalicznych i kryształów. Badania w tej dziedzinie koncentrują się na dodaniu cząsteczek kwasu dikarboksylowego, które zapewniają połączenie między płatkami srebra i odpowiednio zwiększają przewodność elektryczną materiału.

Poważnym problemem związanym z klejami przewodzącymi prąd elektryczny jest możliwość zniszczenia, gdy elementy zostaną nagrzane powyżej 150 stopni.Istnieją inne obawy dotyczące klejów przewodzących prąd elektryczny. Z czasem zdolność klejów do przewodzenia prądu elektrycznego maleje. A woda, którą może wchłonąć polimer, spowoduje korozję. Po upuszczeniu z wysokości kleje stają się kruche, a polimery domieszkowane gumą zostaną opracowane w celu poprawy ich elastyczności w przyszłości. Niewystarczająca znajomość tego materiału może dodatkowo ujawnić inne, dotychczas nieznane problemy.

Oczekuje się, że kleje przewodzące będą stosowane w elektronice użytkowej (telefony komórkowe i aparaty cyfrowe), gdzie niezawodność nie jest krytyczna, na przykład w medycynie i lotnictwie.