Технология на полево запояване без олово

Аркадий Медведев, професор в Московския авиационен институт

Има ли бъдеще безоловната технология? Това не е ли задънена посока на развитието на електрониката? Представената на вашето внимание статия оценява ситуацията, която се е развила в местната електронна индустрия. С какви предизвикателства ще се сблъскаме, когато преминем към производство без олово? Доколко популяризирането на тези технологии е необходимо на българската електронна индустрия?

След повече от пет години тестване на технологии за безоловно запояване, технологични изследвания и законодателна креативност на еколозите, можем отново да се върнем към тази тема, за да направим трезва оценка на текущата ситуация. Колко сериозен и опасен е напредъкът в производството на безоловни технологии за българската електронна индустрия? С какви проблеми ще се сблъскаме?

Оловото е мек, ковък, широко разпространен метал, познат на народите от Месопотамия, Египет и други страни от древния свят много преди нашата ера. Поради добрата му ковкост, топимост и наличието на олово, от него още в тези древни времена са отливани фигурки, предмети от бита и плочи за писане. Римляните са правили тръби от олово за водоснабдяване на дворци. Поради нулевата константа на дифузия и добра

Шийките на способността за пластична деформация с олово се притискат под подводните телеграфни кабели, минаващи по дъното на океаните. Такъв кабел между Европа и Америка, дълъг 3750 км, е положен през 1886 г. и все още не се е разложил. Това не е ли убедителна демонстрация на химическата инертност на металното олово?

По производство оловото е на четвърто място сред цветните метали.метали след алуминий, мед, цинк. Повече от 50% от световното производство на олово се използва в киселинни батерии. Около 20% от добитото олово има много разнообразно приложение. Това е например:

- защитни обвивки на кабели;

— уплътняване на шевове и тръбни съединения в химическата промишленост и канализацията;

- плъзгащи се оловно-графитни електроди на транспорта;

- сърцевини за графитни моливи;

- бои (оловна бяла, оловна червена);

- глазура върху керамика

Други 20% от добитото олово се използва в сърцевините на сачми и куршуми и само около 1% се използва в спойки. Каква е причината за такова внимание на еколозите към такъв незначителен сектор на използването на метално олово?

Никой не оспорва, че оловните съединения са отровни. Постоянният контакт с олово допринася за натрупването му в тялото, което води до разрушаване на нервната система и може да има отрицателен ефект върху кръвоносната, ендокринната и бъбречната система. Но основните източници на замърсяване на околната среда с олово са:

— металургични предприятия (повече от 100 хиляди тона годишно);

— изгорели газове на бензинови превозни средства, използващи оловен бензин (до 200 хиляди тона годишно);

— отпадъчни води от промишлени предприятия (изпусканията в Световния океан са около 500 000 тона годишно);

- отпадъци, съдържащи олово (батерии в количества, които не могат да бъдат отчетени).

При обем на производство на оловен метал в размер на 5 милиона тона годишно тези загуби надхвърлят 10%. Как могат да се балансират екологичните проблеми при използването на метално олово в припои на фона на общата му загуба в най-вредната му форма - химически съединения?

Но все пак, ако се съгласим с гледната точка на еколозите за опасностите от металното олово за околната среда, тогаваТова ли е единственият начин - да го изтеглят от производство? Можем да предложим друг изход от тази ситуация - изхвърлянето на електронни боклуци. Подобни законодателни инициативи са приети в редица европейски страни: Германия, Швейцария, Дания, Швеция, Норвегия и Япония. В тези страни потребителите на електронни и електрически уреди могат да ги върнат

търговци на дребно или общински пунктове за събиране на отпадъци, откъдето излязлото от употреба оборудване се изпраща за рециклиране.

Във връзка с реалностите на времето пред нас възникват редица въпроси:

— какви проблеми можем да преодолеем, когато преминем към безоловни технологии за полево запояване?

– какви алтернативи могат да се предложат на евтектичната сплав

калай-олово с точка на топене 183 ° C?

— какви компоненти на безоловни припои могат да се използват без проблеми с околната среда?

За да се отговори на тези въпроси, в Европа и САЩ са проведени редица проучвания. Техните резултати по отношение на оценката на токсичността на потенциални компоненти на спойващи сплави са показани в таблица 1.

Таблица 1.Оценка на токсичността на потенциални компоненти на спойващи сплави

Компонент

Степен на токсичност

Оценка

олово

силно токсичен

висок риск

кадмий

Изключително токсичен

висок риск

антимон

токсичен, канцерогенен

среден риск

сребро

нетоксичен

без риск

мед

ниска токсичност

нисък риск

Тай

ниска токсичност

нисък риск

цинк

ниска токсичност

нисък риск

бисмут

безвреден

нисък риск

Очевидно е, че калайът ще остане основният компонент на спойката в бъдеще. Сплавите SnAgCu се считат за най-обещаващи. Най-популярните припои на тяхна основа са следните:

- в САЩ - Sn3.9Ag0.6Cu (препоръчан от NEMI - National Electronic Manufacturing Industry);

— в Европа — Sn3.8Ag0.7Cu (препоръчано от Европейския консорциум Brite/EuRam);

- в Япония - Sn3.0Ag0.5Cu (препоръчано от JEIDA - японската асоциация за развитие на електронната индустрия).

При тестовете SnAgCu показва функционална еквивалентност на евтектичната сплав SnPb(Ag). SnAgCu обаче се топи при 217°C, което е с 34°C повече от SnPb. Печатни платки, компоненти, потоци, подложени на високи температури на запояване, изпитват големи термодинамични ефекти, които могат да провокират

повреди, дефекти и намаляване на надеждността на взаимовръзките. Динамиката на тези процеси може да се оцени от известните идеи за ускоряване на процесите на термична деградация. С повишаване на температурата на всеки 8°C, броят на дефектите ще се удвои.

Нека опишем накратко характеристиките на други компоненти на сплави с по-ниска точка на топене:

- бисмут, сребро и индий могат да се съдържат в сплави само в малки дози поради високата им цена;

— кадмият е токсичен и не може да се използва;

— антимонът е токсичен, но в по-малка степен от оловото и кадмия, така че може да се използва в ниски концентрации;

- цинкът намалява точката на топене, е достъпен, евтин, но при запояване се образува утайка поради интензивно окисление и допринася за процеса на корозия.

Трябва да вземем предвид факта, че тези компоненти на сплавта са недостъпни за масово производство.производство. Свойствата на безоловните припои са показани в таблица 2.

Таблица 2.Свойства на безоловни припои

Свойства

Единица измерване

Sn(3.5. 4.0) Ad(0.5. 0.7) Si

Sn4.7 Ad1.7 Si

Sn(3.5. 5.0) Ad

Sn3.5 Ad4.8 Bi

Sn3.5 Ag1.0 Bi

Sn58 Bi

Sn0.7 Si

Sn0.5 Cu0.1 Ni

Sn9 Zn

Sn8 Zn3 Bi

Liquidus(Tn)

220. 225

244

220. 240

211

219

138

227

199

191

Солидус (Tc)

217

221

215

220

138

227

199

198

Плътност

g/cm3

7,5

7,4

7,6

8.75

7,3

Повърхностно напрежение в естествена атмосфера (при Tn = 5'C)

mN/mm

431

319

518

Повърхностно напрежение в азот (при Tn = 5°C)