Dyrektywa RoHS i planowane starzenie produktu a kwestie awaryjność urządzeń elektronicznych

0
392

Centennial Light – żarówka działająca w remizie straży pożarnej na 4550 East Avenue w Livermore w Kalifornii z niewielkimi przerwami świeci od 1890 roku. Dlaczego zatem współczesne żarówki zużywają się tak szybko?

Paradoksalnie, wraz z postępem technologicznym urządzenia wydają się żyć coraz krótszym życiem. Patrząc z perspektywy wyśrubowanych wymagań i warunków pracy urządzenia może wydawać się to zrozumiałe – coraz większa miniaturyzacja, coraz mniejsze obudowy, coraz wyższe temperatury pracy wpływają na wzrost awaryjności bardzo delikatnych podzespołów. Także ciągła redukcja kosztów generująca wykorzystanie gorszej jakości surowców i materiałów wpływa na długość okresów eksploatacyjnych urządzeń. Czy jednak nie odgrywają roli także inne czynniki?

Planowane starzenie produktu

Planowane starzenie produktu (planned obsolescence) – terminem tym określana jest strategia producentów polegająca na odpowiednim projektowaniu urządzeń, tak aby miały one ograniczony czas działania, po upływie tego czasu stawały się niesprawne, a ich serwisowanie okazywało się nieopłacalne. Poczynania takie maja wymusić na konsumentach przyspieszoną rotację sprzętów i przynosić firmom planowane zyski. Oczywiście producenci nie przyznają się do tego typu działań, oficjalnie nawet im zaprzeczając. Historia zna jednak takie procedery. W roku 1924 Philips, Osram i General Electric utworzyły kartel zawiadujący produkcją i sprzedażą żarówek mający na celu obniżenie ich żywotności do maksymalnie 1500 godzin pracy (w latach 40 limit przesunięto nawet do 1000).

Jest oczywiste, iż żadnemu wytwórcy nie opłaca się wyprodukować rzeczy niezniszczalnej. Jednak obecnie okresy życia urządzeń zdają się być wyjątkowo krótkie, co – jak zauważają coraz liczniejsi komentatorzy wywodzący się nie tylko ze środowisk ekologów – nie pozostaje bez wpływu na marnotrawstwo ograniczonych zasobów i degradację środowiska (zużycie energii w przypadku konieczności recyklingu oraz rosnące góry elektro-śmieci). Z raportu sporządzonego w 2013 roku w na zlecenie Związek 90/Zieloni wynika, iż straty z tego tytułu wynoszą w Niemczech kilka miliardów euro rocznie. Oczywiście należy mieć na uwadze rolę jaką pełni zleceniodawca – trudno oczekiwać aby podmiot finansujący proces badawczy otrzymał wyniki niezgodne z jego oczekiwaniami. Niemniej jednak, choć można dywagować nad rzędem wielkości prezentowanych liczb, raport skłania do refleksji.

Strategie związane z planowym postarzaniem produktu związane są m.in. z instalowaniem części wrażliwych na ciepło w miejscach gdzie wysokie temperatury to codzienność (zmywarki), montowaniem niewymiennych baterii (smartfony), instalowaniem oprogramowania blokującego pracę urządzenia po upływie określonego czasu (drukarki), używanie materiałów niskiej jakości w miejscach narażonych na intensywne zużycie lub uszkodzenia mechaniczne (przewody słuchawek).

Spadek jakości ma jednak swoja drugą stronę, o której w tym miejscu wspomnieć należy – są nią domniemane korzyści konsumentów podkreślane przez niektórych komentatorów. Otóż zgodnie z ich retoryką obniżenia jakości produktu idzie w parze ze spadkiem cen towarów. Stosując gorsze podzespoły można wyprodukować tańsze urządzenia, co jest korzystne dla wszystkich, nie tylko tych mniej zamożnych, użytkowników. Wysoki stopień rotacji sprzętu pozwala na korzystanie z coraz nowszych generacji urządzeń, zapewniających większą funkcjonalność i energooszczędność, często także bezpieczeństwo (samochody). Z pewnym przekąsem można by także wspomnieć o wzroście PKB napędzanym przez konsumpcję i korzyściach z tego płynących dla wszystkich, nawet tych konsumujących niewiele.

Dyrektywa RoHS

Z kwestiami planowanego starzenia niektórzy wiążą także rozporządzenia zawarte w europejskiej dyrektywie RoHS z 2006 roku. Choć adwersarze zaliczą ich do grona zwolenników różnych teorii spiskowych, warto zwrócić uwagę na kilka kwestii związanych z awaryjnością urządzeń elektronicznych w kontekście owych rozporządzeń – wszelkie spiski i spekulacje pozostawiamy na boku.

Dyrektywa RoHS 2011/65/EU reguluje wykorzystywanie przez przemysł elektroniczny substancji uważanych za niebezpieczne. Surowce szkodliwe wymienione w dyrektywie to głównie metale ciężkie: ołów, kadm, rtęć, chrom oraz bromowane środki przeciwpalne – polibromowane bifenyle oraz polibromowane etyle difenylowe. Szczególnie istotny dla przemysłu elektronicznego i omawianej tutaj kwestii długości życia produktu jest ołów, którego zakaz stosowania wnosi zdaniem niektórych sporo niepewności odnośnie długiej i bezawaryjnej pracy urządzeń elektronicznych. Pierwiastek ten stosowany był jako komponent stopów lutowniczych (cynowo-ołowiowych) nadając spoiwom odpowiedniej trwałości, posiadając przy tym dobre parametry temperaturowe (niska temperatura topnienia spoiwa zabezpiecza elementy przed przegrzaniem podczas procesu lutowania) oraz ekonomiczne (stopy tego typu są tańsze).

Lutowanie bezołowiowe a zwiększona awaryjność urządzeń

Z lutowaniem w technologii bezołowiowej wiążą się pewne trudności. Rozpływ lutowia wymaga wyższych temperatur, cechuje się kulkowaniem związanym z większym napięciem powierzchniowym oraz możliwością wystąpienia tzw. wąsów cynowych (tin whiskers) – powstających wraz z upływem czasu igłowych struktur wyrastających na powierzchni spoiwa i powodujących zwarcia. Zagrożenie stanowi także tzw. zaraza cynowa, rodzaj przemiany strukturalnej (alotropowej), której poddana jest cyna w niskich temperaturach – cyna biała zamienia się w szarą, która staje się krucha i odpada od powierzchni elementów łączonych. Jako ciekawostkę podajmy, iż według istniejącej hipotezy przemiana taka mogła być odpowiedzialna za rozpad ekwipunku (naczynia, guziki mundurów) i klęskę armii napoleońskiej w kampanii rosyjskiej oraz niepowodzenie wyprawy Roberta Scotta na biegun południowy (lutowane cyną puszki z naftą) – w obu przypadkach kluczowa dla rozpadu mogła być wyjątkowo niska temperatura (przy – 40 stopniach rozpad alotropowy zabiera około 20 godzin).
Obecność ołowiu, który jest w stopie lutowniczym inhibitorem uniemożliwia dokonania takiej przemiany. Ponadto spoiwo bezołowiowe jest matowe, o nieco ziarnistej powierzchni – jest to powodem utrudnionego wykrywania przerw w połączeniach, czyli tzw. zimnych lutów. Innymi słowy spoiwa bezołowiowe cechuje niższa lutowność w porównaniu do połączeń wykonywanych z użyciem ołowiu.

Wydaje się, iż w przypadku elektroniki konsumenckiej wyżej wymienione czynniki można by uznać za mało istotne – prawdopodobnie urządzenia tego sektora szybciej będą wychodzić z użycia ze względu na technologiczne starzenie niż awarie w efekcie wadliwych połączeń. Niemniej jednak w przypadku elektroniki medycznej, gdzie okres eksploatacji urządzeń bywa znacznie dłuższy, tego typu mankamenty mogą stanowić poważny problem.

Szczególnie newralgicznymi miejscami narażonymi na mikropęknięcia i przerwy w połączeniach są wyprowadzenia układów BGA będące niewielkiej wielkości kulkami spoiwa lutowniczego umieszczonymi na spodniej stronie układu. Powstające tam uszkodzenia związane są z niską odpornością stopów bezołowiowych na pojawiające się naprężenia na linii układ BGA – płyta główna, która w sprzętach mobilnych wraz z obudową urządzenia często poddawana jest różnym niewielkim odkształceniom. Innym powodem tego typu uszkodzeń są zmiany w rozkładzie naprężeń spoiwa związane ze współczynnikiem rozszerzalności cieplnej stopu. Skoki temperatury wewnątrz urządzenia wpływają bowiem na trwałość i odporność na zmęczenie takich połączeń. Stopy bezołowiowe są mniej odporne na wymienione czynniki i tym samym bardziej narażone na różnego rodzaju mikropęknięcia.

Komu służy dyrektywa?

Zmiany wywołane dyrektywą motywowane są przez ustawodawców dbałością o środowisko, ołów bowiem należy do tzw. neurotoksyn, szczególnie niebezpiecznych trucizn powodujących nieodwracalne uszkodzenia mózgu. Ołów używany podczas lutowania jest rozproszony w ogromnej liczbie elektro-śmieci i tym samym trudny do odzysku – co jest zasadniczym powodem chęci wyłączenia z użycia tego pierwiastka za pomocą omawianej dyrektywy. Nie jest zaś pobudką ogólna ilość ołowiu zużywana przez przemysł elektroniczny, która w liczbach bezwzględnych jest niewielka i wynosi 0.5% światowego zużycia.

Zasadność tej dyrektywy jest jednak często kwestionowana. Zwraca się uwagę na fakt, iż jej ustalenia dotyczą bowiem jedynie państw członkowskich UE. W Stanach Zjednoczonych nie istnieją analogiczne regulacje dotyczące całego obszaru USA – występuje jedynie kilka stanowych aktów ustawowych. W związku z tym nie są to kompleksowe próby rozwiązania problemu i jak zwracają uwagę liczni komentatorzy, działania te służyć mogą pewnym partykularnym interesom lobby przemysłowego mającego na uwadze realizację procesów programowego skracania życia produktów.