Dyrektywa RoHS i planowane starzenie produktu a kwestie awaryjność urządzeń elektronicznych

0
88

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.