Tehnologije spajkanja brez svinca: SAC spajke in prevodna lepila

Že desetletja se svinčeno-kositrna spajka uporablja za pritrditev elektronskih komponent, spajkanje tiskanih vezij. Resni škodljivi učinki na zdravje, povezani z uporabo svinca, so v elektronski industriji sprožili močna prizadevanja za iskanje nadomestkov za svinčeno spajko. Znanstveniki zdaj verjamejo, da so odkrili nekaj obetavnih možnosti: alternativne spajke iz zlitin in polimernih sestavkov, znanih kot prevodno lepilo.

Spajkanje je hrbtenica proizvodnje elektronike. Svinec je bil popoln kot spajka. Verjetno je vsa elektronika zasnovana glede na tališče in fizikalne lastnosti svinca. Jaz vodim — plastični material, nezlomljiv in zato enostaven za delo. Ko svinec kombiniramo s kositrom v pravilnem razmerju (63 % kositra in 37 % svinca), ima zlitina nizko tališče 183 stopinj Celzija, kar je še ena prednost.

Pri delu pri nizkih temperaturah postopki spajkanja izboljšan je nadzor nad tehnologijo izdelave spojev, zvarjeni elementi pa niso občutljivi na najmanjša temperaturna odstopanja. Nizke temperature pomenijo tudi manjšo obremenitev opreme in materialov (PCB-jev in komponent), ki se med sestavljanjem segrevajo, ter večjo produktivnost v proizvodnji elektronike zaradi krajših časov segrevanja in ohlajanja.

Glavna spodbuda za elektronsko industrijo v Evropi, da je začela uporabljati spajke brez svinca, je bila prepoved svinca, ki jo je uvedla Evropska unija. V skladu z omejitvijo Direktive o nevarnih snoveh je bilo treba svinec do 1. julija 2006 nadomestiti z drugimi snovmi (direktiva prepoveduje tudi živo srebro, kadmij, šestvalentni krom in druge strupene snovi).

Vse elektronske komponente, ki vsebujejo svinec, so zdaj v Evropi prepovedane. V zvezi s tem bo prej ali slej tudi Rusija morala preiti na brezsvinčne tehnologije povezovanja v elektroniki.

Svinec z okoljskega vidika sam po sebi ni problem, dokler ga vsebuje elektronska oprema. Ko pa elektronske komponente končajo na odlagališčih, se lahko svinec izpere iz zemlje na odlagališčih v pitno vodo. Tveganje se poveča v državah, kjer se e-odpadki množično uvažajo.

Na Kitajskem se na primer delavci brez zaščitne opreme, med katerimi je veliko otrok, ukvarjajo z razstavljanjem (spajkanjem) materialov, ki jih je mogoče reciklirati, iz elektronskih komponent. V Rusiji so svinčene spajke še danes zelo pogoste v neavtomatizirani proizvodnji elektronike.

Škodljivi učinki svinca na zdravje ljudi, tudi v majhnih količinah, so dobro znani: motnje živčnega in prebavnega sistema, še posebej izrazite pri otrocih, in sposobnost svinca, da se kopiči v telesu in povzroča hude zastrupitve.

Proizvajalci elektronike so začeli iskati alternativne spajke že leta 1990, ko so razpravljali o zdaj ratificiranih predlogih za prepoved svinca v ZDA. Strokovnjaki elektronske industrije so pregledali 75 alternativnih spajk in ta seznam skrčili na pol ducata.

Na koncu je bila izbrana kombinacija 95,5 % kositra, 3,9 % srebra in 0,6 % bakra, znana tudi kot SAC grade spajka (okrajšava prvih črk elementov Sn, Ag, Cu), ki zagotavlja večjo zanesljivost in enostavnost delovanje kot zamenjava za svinčeno-svinčevo spajko. Tališče SAC spajke je 217 stopinj, je blizu tališča običajne svinčeno-svinčeve spajke (183 ... 260 stopinj).

Spajkalnik brez vijakov

SAC spajke se danes pogosto uporabljajo v industriji na morju. Uvedba novih vrst spajk je zahtevala veliko truda s strani elektronskih podjetij. Strokovnjake je skrbelo, da je bilo v začetni fazi uvedbe spajk brez svinca možno povečanje stopnje napak elektronskih izdelkov.

V zvezi s tem se oprema, ki je povezana z življenjem in varnostjo ljudi, na primer elektronika za bolnišnice, proizvaja po starih tehnologijah. Prepoved svinčenih spajk prav tako še ne velja za mobilne telefone in digitalne fotoaparate. Prav tako ni dokončnega odgovora o popolni varnosti novih spajk na osnovi srebra - ta kovina je strupena za vodne živali.

Neosvinčeni fluks

Razdelek. 1.Primerjalne lastnosti nekaterih SAC spajk in kositrno-svinčeve spajke

Bolj drzna eksperimentalna alternativa spajkanju svinčenih spajk je uporaba elektroprevodnih lepil ... To so polimeri, silikoni ali poliamidi, ki vsebujejo majhne kosmiče kovin, največkrat srebra. Polimeri lepijo elektronske komponente, kovinski kosmiči pa prevajajo elektriko.

Ta lepila ponujajo številne prednosti. Električna prevodnost srebra je zelo visoka, njegov električni upor pa nizek. Temperatura, ki je potrebna za nanašanje lepil za montažo PCB, je precej nižja (150 stopinj) od tiste, ki je potrebna za spajke na osnovi svinca. Zato se, prvič, prihrani elektrika, in drugič, elektronske komponente so manj izpostavljene segrevanju, zaradi česar se njihova zanesljivost poveča.

Finska raziskava, predstavljena leta 2000 na 4. mednarodni konferenci o lepilih in tehnologijah premazov v elektronski industriji, kaže, da električno prevodna lepila tvorijo celo močnejše vezi kot tradicionalne spajke.

Če znanstvenikom uspe povečati električno prevodnost takšnih lepil, lahko popolnoma nadomestijo tradicionalne spajke. Doslej so bili ti materiali uporabljeni za majhno število majhnih prevodnih spojin amperaža — za spajkanje zaslonov s tekočimi kristali in kristalov. Raziskave na tem področju so usmerjene v dodajanje molekul dikarboksilne kisline, ki poskrbijo za povezavo med srebrovimi lističi in temu primerno povečajo električno prevodnost materiala.

Resna težava pri elektroprevodnih lepilih je možno uničenje pri segrevanju komponent nad 150 stopinj.Obstajajo še drugi pomisleki glede električno prevodnih lepil. Sčasoma se sposobnost lepila za prevajanje električnega toka zmanjša. In voda, ki jo polimer lahko absorbira, bo povzročila korozijo. Pri padcu z višine lepila pokažejo krhke lastnosti, zato bodo v prihodnosti razviti polimeri z gumo, ki bodo izboljšali njihovo elastičnost. Nezadostno poznavanje tega materiala lahko nadalje razkrije druge, še neznane težave.

Prevodna lepila naj bi se uporabljala v potrošniški elektroniki (mobilni telefoni in digitalni fotoaparati), kjer zanesljivost ni kritična, na primer v medicini in letalski elektroniki.