Masz w domu taki sprzęt? Kasa w błoto! Istna plaga awarii! I nikt o tym nie mówi...

Pamiętamy przecież komputery, telewizory czy telefony, które działały bez żadnej awarii przez wiele lat. W końcu trafiały do szuflady lub szafy i zwyczajnie zastępowaliśmy je nowszymi modelami. Jednak teraz sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Elektronika montowana jest wszędzie, nawet tam, gdzie jeszcze do niedawna jej nie było. Samochody, urządzenia AGD, nie wspominając o RTV są wręcz naszpikowane nowoczesną elektroniką. Awarie urządzeń elektronicznych są na porządku dziennym i dziś chyba już nikogo nie dziwią. Nawet decydując się na zakup sprzętu z najwyższej półki, za grube tysiące złotych, nie mamy pewności jak długo będzie nam służył. Usterki elektroniki są prawdziwą plagą, a samodzielna naprawa jest niemożliwa i z reguły wiąże się z odesłaniem sprzętu do specjalistycznego serwisu. Czasem zdarza się, że naprawa przez autoryzowany serwis przewyższa koszt zakupu nowego urządzenia, przez co staje się zupełnie nieopłacalna. W tej sytuacji warto spróbować naprawić go na własną rękę.

Im bardziej zaawansowana technologia i im większa miniaturyzacja zarówno modułów jak i samych elementów tym problem z lutowaniem jest poważniejszy i przysparza większych problemów Do najczęstszych uszkodzeń w urządzeniach elektronicznych należą mikropęknięcia oraz przerwy powstające pod układami scalonymi w obudowach BGA. To nic innego jak połączenia obudowy układów scalonych z podłożem. Wykorzystuje się do tego kulki ze stopu lutowniczego. Poniżej, z prawej strony, na zdjęciu endoskopowym przedstawione zostało pęknięcie spoiwa nad kulką lutu. Natomiast zdjęcie rentgenowskie z prawej strony przedstawia puste przestrzenie w postaci jasnych plam na kulkach lutu. Powodów uszkodzeń jest kilka lecz do najczęstszych należą mechaniczne oraz termiczne.

Mechaniczne uszkodzenia powstają przez naprężenia powstające na płycie głównej sprzętu. Obudowy oraz płyty główne elektroniki są często wykonane ze stosunkowo miękkich materiałów podatnych na wygięcia, natomiast tłoczywa z których wykonane są obudowy komponentów BGA wykonane są z materiałów o znacznie większej twardości. Spoiwo lutownicze wykorzystywane do połączeń komponentów BGA z płytą charakteryzuje się słabą wytrzymałością mechaniczną, w momencie kiedy następuje wygięcie płyty spowodowane np. przenoszeniem urządzenia. Wówczas powstają pomiędzy komponentem a płytą siły powodujące zrywanie połączeń lutowanych.

Drugą co do liczby pojawiających się usterek jest przegrzanie układów scalonych w obudowie BGA - najczęściej chipów graficznych spowodowane zanieczyszczeniem kanałów wentylacyjnych lub zakrywaniem kanałów wentylacyjnych np. w przypadku laptopów poprzez pozostawianie urządzenia na nieutwardzonych powierzchniach (dywan kołdra itp.), co powoduje gwałtowny wzrost temperatury. Poniżej prezentujemy zanieczyszczony system wentylacyjny laptopa po dwóch latach użytkowania w warunkach domowych.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej stopu decyduje o rozkładzie naprężeń w połączeniu lutowanym podczas cykli temperatury, czyli wpływa na trwałość zmęczeniową tego połączenia. Tak wiec w skrócie można powiedzieć że wytrzymałość połączenia ma swoją określoną żywotność w cyklach. Po jej przekroczeniu zaczynają pojawiać się mikropęknięcia na spoiwach lutowniczych. Naprawy wykonuje się poprzez wymianę spoiw lutowniczych tzw. "reballing" lub wymianę układu w przypadku jego uszkodzenia. Niestety na dzisiaj producenci dysponują tylko taką technologią montażu, która należy do bardzo awaryjnych.

Sprzęt elektroniczny w atrakcyjnych cenach! Kliknij i się przekonaj!

W elektronice od ponad 5. lat mocną pozycję ma proces lutowania eutektycznymi lub bliskoeutektycznymi stopami cynowo-ołowiowymi, ze względu na swoje unikalne właściwości fizyczne, dostępność i względnie niską cenę. Najważniejszą jednak zaletą spoiw cynowo-ołowiowych jest to, że nadają się one zarówno do wykonywania połączeń lutowniczych, jak również na pokrycia ścieżek i pól lutowniczych na płytkach drukowanych oraz na pokrycia końcówek i wyprowadzeń podzespołów, zapewniając płytkom drukowanym i podzespołom odpowiednią lutowność.

Rosnąca świadomość zagrożenia środowiska naturalnego sprawiła, że od kilkunastu lat baczniej zwraca się uwagę na sprawy związane z ekologią, również w elektronice. Roczne światowe zużycie ołowiu szacuje się na 3-4 mld ton, a zużycie ołowiu w stopach cynowo-ołowiowych, stosowanych do lutowania w elektronice wynosi tylko od 1. do 25 tys. ton - to zaledwie 0,5 proc. ogółu światowego zużycia ołowiu. Zastanawiające jest zatem dlaczego wyeliminowanie ołowiu z procesu lutowania w elektronice jest tak ważne, skoro jego zużycie nie jest wysokie?

Ołów zaliczany jest do tzw. neurotoksyn, czyli trucizn mózgu, podobnie zresztą jak kadm i nikiel. Jednak ołów jest tylko jedną z kilkudziesięciu neurotoksyn w naszym środowisku, ale jedyną, którą dokładnie zbadano. Powoduje on nieodwracalne uszkodzenie mózgu w stopniu zależnym od dawki. Trzeba pamiętać, że mózg jest szczególnym organem, którego uszkodzone komórki nie odnawiają się.

Dlaczego restrykcje, w postaci dyrektywy RoHS, która wprowadza ograniczenia stosowania ołowiu, dotykają producentów wyrobów elektronicznych, a nie producentów baterii, którzy zużywają 8. proc. światowego zapotrzebowania na ołów? W elektronice przez 50 lat do lutowania stosowano materiały z ołowiem. Należały do nich spoiwa lutownicze zawierające do 40 proc. ołowiu, powłoki lutowne na płytkach drukowanych, w większości wykonane ze stopu SnPb, wyprowadzenia i końcówki podzespołów elektronicznych pokryte tym samym stopem, co powłoki na płytkach drukowanych i najczęściej tym samym stopem, który służył do lutowania, czyli wytarzania zespołów elektronicznych. Zespoły elektroniczne znajdowały zastosowanie w wielu różnorodnych wyrobach elektronicznych, takich jak: telewizory, telefony, komputery, lodówki, pralki, sprzęt oświetleniowy, sprzęt medyczny, elektronika samochodowa.

Ołów w wyrobach elektronicznych jest bardzo rozproszony i bardzo trudny do odzysku. Na tak niewielkie, zdawałoby się, zużycie ołowiu składają się miliony ton odpadów elektronicznych składowanych na wysypiskach. Dla przykładu: ilość odpadów elektronicznych w Europie w roku 200. wynosiła 6 mln ton, w tym było 25 mln odbiorników TV, a prognoza Komisji Europejskiej przewidywała podwojenie tej liczby w roku 2012. Można zatem powiedzieć, że rozproszenie ołowiu w wielu wyrobach elektronicznych, trafiających po zużyciu na wysypiska śmieci, a nie ilość ołowiu "konsumowana" przez elektronikę w ogóle, stała się zasadniczą przyczyną konieczności przejścia przemysłu elektrycznego i elektronicznego na lutowanie bezołowiowe. Tak rozproszony ołów jest bowiem trudny do odzysku i recyklingu, nakazanych przez dyrektywę WEEE.

Pozostające na wysypiskach elektroniczne śmieci z ołowiem podlegają procesom chemicznym utleniania i rozpuszczania. Kwaśny deszcz, będący wynikiem zanieczyszczenia atmosfery, działa na ołów o różnym stopniu utlenienia, czyli na różnego rodzaju tlenki ołowiu. Tlenki ołowiu rozpuszczają się w kwasach, tworząc trujące, rozpuszczalne w wodzie związki ołowiu, które mogą przenikać do gleby, a dalej do wód gruntowych i do naturalnych zasobów wody pitnej, powodując jej zanieczyszczenie, czy wręcz zatrucie. Powstawanie kwaśnego deszczu nie jest czymś wyjątkowym ze względu na silne zanieczyszczenie atmosfery różnego rodzaju lotnymi związkami organicznymi. Wyżej omówione aspekty przyczyniły się do rewolucji technicznej, jaką jest przejście z technologii cynowo-ołowiowej na bezołowiową technologię montażu w przemyśle elektrycznym i elektronicznym.

Wiele stopów takich jak SnAu, SnIn, SnAg, SnBi, od dawna stosowano w przemyśle elektronicznym do specjalnych zastosowań. Stopy te nadal mogą być wykorzystywane w elektronice jako luty bezołowiowe. Ich zaletą jest to, że są stopami dwuskładnikowymi i co ważniejsze, że są stopami eutektycznymi, czyli łatwo topliwymi. Poszukiwania nowych stopów bezołowiowych poszły w kierunku trój-, cztero-, a nawet pięcioskładnikowych stopów na bazie cyny, z dodatkami takich pierwiastków stopowych jak Cu, Ag, Bi, Sb. Luty te nie są stopami eutektycznymi, są co najwyżej stopami bliskoeutektycznymi, jak np. stop SnAgCu (tzw. SAC).

Od połowy lat 90. prowadzono na świecie intensywne badania stopów bezołowiowych, które ukierunkowane były przede wszystkim na poszukiwanie zamiennika ołowiu w eutektycznym stopie cynowo-ołowiowym. Kryteria, którymi kierowano się przy wyborze zamienników ołowiu to:

- brak toksycznego oddziaływania na ludzi i środowisko naturalne,
- dostępność kopalin,
- porównywalne ze stopem SnPb właściwości,
- przystępna cena.

Z całej tablicy Mendelejewa może być branych pod uwagę jedynie kilka pierwiastków: Bi, Cu, In, Sn, Ag, Zn. Dla potencjalnych substytutów ołowiu przeprowadzono badania toksyczności, ze szczególnym uwzględnieniem oddziaływania tych metali na organizm ludzki. Stwierdzono, że badane zamienniki ołowiu też nie są obojętne dla zdrowia ludzkiego, choć nie zagrażają w takim stopniu jak ołów, ponieważ nie są rakotwórcze jak ten metal.

Po przebadaniu kilkuset spoiw cynowych z potencjalnymi zamiennikami ołowiu stwierdzono, że nie ma jednego zamiennika stopu Sn63Pb37. W związku z tym do lutowania bezołowiowego zalecane są różne stopy, wybór odpowiedniego zależy od producenta sprzętu elektrycznego i elektronicznego. Można zatem powiedzieć, że producenci "uczą się" wprowadzając do produkcji różnego rodzaju zamienniki stopu ołowiowego i wyciągając odpowiednie wnioski dokonują zmian.

Niestety nie wszystkie badania stopów lutowniczych przeprowadzane w warunkach laboratoryjnych sprawdzają się przy klasycznym użytkowaniu sprzętu. W komputerze, pod klasycznym układem graficznym lub chipsetem - tzw. mostkiem północnym i południowym znajduje się od kilkuset do kilku tysięcy kulek lutu (od lewej płyta główna z układem BGA, układ BGA, układ BGA widoczny na zdjęciu rentgenowskim, układ BGA widoczny na zdjęciu endoskopowym).

Są to główne miejsca powstawania uszkodzeń w laptopach. Przyczyną jest słaba wytrzymałość stopów bezołowiowych, które na skutek powstających mikro naprężeń na płycie głównej oraz zmian temperaturowych podlegają znacznie szybszemu procesowi starzenia (w porównaniu ze stopami ołowiowymi) i występuje zjawisko pęknięć widoczne na poniższym zdjęciu rentgenowskim po lewej stronie oraz endoskopowym po prawej stronie. Problemy z technologią lutowania bezołowiowego BGA mają wszyscy producenci elektroniki. Widoczne jest to bardzo wyraźnie w serwisach, gdzie naprawiana jest elektronika różnych marek i najczęstsze, uszkodzenia o których tu mowa związane z występowaniem pęknięć pod układami BGA można spotkać w wyrobach wszystkich producentów.

Źródło: A&D Serwis, SW, WP.PL

Sprzęt elektroniczny w atrakcyjnych cenach! Kliknij i się przekonaj!