В течение многих десятилетий свинцово-оловянный припой использовался для закрепления электронных компонентов, пайки печатных плат. Тем не менее, серьезные неблагоприятные последствия для здоровья, возникающие при использовании свинца, породили активные усилия в электронной промышленности для поиска замены свинцовым припоям. Теперь ученые считают, что найдены некоторые многообещающие направления: припои из альтернативных сплавов и полимерные составы, известные как электропроводящий клей.
Припой является «стержнем» производства электроники. Свинец идеально подходил в качестве припоя. Можно сказать, что вся электроника была разработана вокруг точки плавления и физических свойств свинца. Свинец — пластичный материал, не ломается и поэтому с ним легко работать. Когда свинец сочетается с оловом в правильной пропорции (63% олова и 37% свинца), сплав имеет низкую температуру плавления - 183 градуса Цельсия, что является еще одним его преимуществом.
При работе с низкотемпературными процессами пайки лучше осуществляется контроль над технологией изготовления соединений, при этом паяные элементы не чувствительны к малейшим отклонениям температуры. Низкие температуры также означают меньшую нагрузку на оборудование и материалы (печатные платы и компоненты), которые подвергаются нагреву в процессе сборки, более высокую производительность изготовления электроники ввиду сокращения времени для нагрева и охлаждения.
Основным стимулом для электронной промышленности Европы для начала использования бессвинцовых припоев стал запрет на свинец, введенный Европейским союзом. Согласно ограничению директивы опасных веществ, к 1 июля 2006 свинец должен был быть заменен другими веществами (директива также запрещает ртуть, кадмий, шестивалентный хром и др. токсичные вещества).
Любые электронные компоненты, имеющие свинец в своем составе, сейчас в Европе подлежат запрету. В связи с этим рано или поздно России также придется перейти на бессвинцовые технологии соединений в электронике.
Свинец, с экологической точки зрения, сам по себе не является проблемой, если он содержится в электронном оборудовании. Однако, когда электронные компоненты попадают на свалку, свинец может вымываться из почвы мусорных полигонов и попадать в питьевую воду. Риск усугубляется в тех странах, в которые массово импортируются электронные отходы.
В Китае, например, рабочие без средств защиты, в числе которых много детей, занимаются разборкой (распайкой) вторсырья из электронных компонентов. В России же и по сей день свинцовые припои имеют очень широкое распространение при не автоматизированном изготовлении электроники.
Вредное воздействие свинца на здоровье человека, даже при низких уровнях, хорошо известно: расстройства нервной и пищеварительной систем, особенно ярко проявляющиеся у детей, а также способность свинца накапливаться в организме, вызывающая тяжелые отравления.
Производители электроники начали искать альтернативные припои еще в 1990 году, когда обсуждались ныне уже ратифицированные предложения о запрете свинца в США. Эксперты электронной отрасли рассмотрели 75 альтернативных припоев и сократили этот список до полудюжины.
В конце концов была выбрана комбинация из 95,5% олова, 3,9% серебра и 0,6% меди, известная также как припой марки SAC (аббревиатура от первых букв элементов Sn, Ag, Cu), обеспечивающий большую надежность и легкость работы в качестве замены оловянно-свинцовому припою. Точка плавления припоя SAC - 217 градусов, она близка к точке плавления обычного оловянно-свинцового припоя (183...260 градусов).
Бессвинцовая проволока для припоя
Припои SAC сегодня широко используются в зарубежной промышленности. Внедрение новых типов припоев потребовало от компаний, производящих электронику, больших усилий. У специалистов возникали опасения, что на начальном этапе внедрения бессвинцовых припоев возможно увеличение отказов электронной продукции.
В связи с этим оборудование, причастное к жизни и безопасности человека, например, электроника для больниц, изготавливается по старой технологии. Запрет на свинцовые припои также не распространяется пока на сотовые телефоны и цифровые камеры. Нет однозначного ответа и по вопросу полной безопасности новых припоев на основе серебра — этот металл является токсичным для водных животных.
Бессвинцовый флюс
Табл. 1. Сравнительные характеристики некоторых припоев SAC и оловянно-свинцового припоя
Более смелой экспериментальной альтернативой оловянно-свинцовому припою является использование электропроводящих клеев. Это полимеры, силикон или полиамид, содержащие мелкие чешуйки металлов, чаще всего серебро. Полимеры приклеивают электронные компоненты, а металлические чешуйки проводят электричество.
Эти клеи имеют широкий спектр преимуществ. Электропроводность серебра является очень высокой, а его электрическое сопротивление мало. Температура, необходимая для применения клеев для сборки печатных плат, намного ниже (150 градусов), чем та, которая требуется для припоев на основе свинца. Благодаря этому, во-первых, экономится электроэнергия, во-вторых, электронные компоненты подвергаются меньшему нагреву, в результате повышается их надежность.
Финские исследования, представленные в 2000 году на четвертой Международной конференции по клеевым соединениям и технологиям покрытий в электронной промышленности, показывают, что электропроводящий клей создает даже более жесткие связи, чем традиционные припои.
Если ученым удастся увеличить электропроводность таких клеев, то они смогут полностью заменить традиционные припои. Пока что эти материалы применяются для небольшого числа соединений, проводящих небольшую силу тока - для пайки жидкокристаллических дисплеев и кристаллов. Исследования в этой области направлены на добавление молекул дикарбоновых кислот, обеспечивающих связь между чешуйками серебра, и соответственно, повышающих электропроводность материала.
Серьезной проблемой электропроводящих клеев является возможное разрушение при нагреве компонентов выше 150 градусов. Есть и другие опасения по поводу электропроводящих клеев. Со временем способность клеев проводить электричество снижается. А вода, которую может впитать полимер, приведет к коррозии. При падении с высоты клеи проявляют хрупкие свойства, для улучшения их упругости в будущем будут разработаны полимеры с добавлением резины. Недостаточная изученность этого материала может в дальнейшем выявить и другие, еще неизвестные проблемы.
Применение электропроводящих клеев предполагается в области потребительской электроники (сотовые телефоны и цифровые камеры), там, где надежность не является критичной, как, например, в медицине и авиационной электронике.