Экологическая оценка припоев ПОС40 (40Sn/60Pb) и бессвинцового 95,5Sn/4Ag/0,5Cu

Свинец представляет собой яд, накапливающийся на протяжении многих лет в тканях организма. Согласно данным австралийских служб по охране здоровья рабочих, 30 % попадающего на человека свинца адсорбируется кожными покровами, а 70 % оседает в легких. Внешними симптомами отравления являются головные боли и боли в суставах, однако оно вызывает и скрытые, более серьезные последствия в виде поражений почек и нервной системы, бесплодия и врожденных пороков.

ПДК для свинца и его неорганических соединений приняты: для атмосферного воздуха (ПДК_а.в.) – 0,003 мг/м³, для рабочей зоны (ПДК_р.з) – 0,01 мг/м³, для питьевой воды (ПДК_п.в.) – 0,03 мг/л.

Допустимые максимально разовые концентрации загрязняющих веществ (ЗВ): для оксида олова (в пересчете на олово) ПДК_р.з. – 2 мг/м³, ПДК_а.в. – 0,02 мг/м³; для меди ПДК_р.з. – 1 мг/м³, ПДК_а.в. – 0,002 мг/м³; для серебра ПДК_р.з. – 1 г/м³, ПДК_а.в. – не регламентируется.

Сравним параметры выделений и выбросов на рабочем месте на участке пайки ППИ электропаяльником с применением припоев ПОС40 (олово 40 %, остальное – свинец) и припоя 95,5Sn/4Ag/0,5Cu.

При пайке электропаяльником мощностью 20-60 Вт припоем ПОС40 выделяются: свинец и его соединения 0,005 мг/с; оксид олова 0,0033 мг/с.

При пайке в тех же условиях припоем 95,5Sn/4Ag/0,5Cu выделяется оксид олова 0,012 мг/с. Выделениями ЗВ – серебра и меди – пренебрегаем в виду их малости.

Предположим, что процесс пайки осуществляется в помещении объемом 10 м³ на одно рабочее место под местной вытяжкой с параметрами источника загрязнения атмосферы (ИЗА) и общеобменной вентиляции: диаметр трубы – 0,4 м; линейная скорость потока воздуха в трубе – 3 м/с; объемная скорость потока воздуха в трубе – 0,38 м³/с; эффективность местного отсоса – 0,9; эффективность общеобменной вентиляции – 0,5.

Санитарно-гигиеническая оценка использования припоев ПОС40 и 95,5Sn/4Ag/0,5Cu проведена для рабочей зоны (РЗ), где остаются 10 % ЗВ, которые могут накапливаться в помещении в течение смены.

Концентрация ЗВ в рабочей зоне (Q_р.з.) определяется как произведение максимально-разовых выделений ЗВ (q), коэффициента «чистого» времени работы паяльником (0,5), доли ЗВ, выделяемой в помещение (0,1), эффективности общеобменной вентиляции (0,5), времени выделений (1 смена, 8 часов, 28 800 с), отнесенное к объему помещения (10 м³):

Q_р.з. = q · 0,5 · 0,1 · 0,5 · 28 800 / 10, мг/м³.

Экологическая оценка применения тех же припоев проведена на ИЗА (Q_а.в.), на котором выбрасывается 90 % ЗВ и определяется как произведение максимально-разовых выделений ЗВ (q), коэффициента «чистого» времени работы паяльником (0,5), доли ЗВ, выбрасываемых в атмосферный воздух (0,9), отнесенное к объемной скорости потока воздуха в трубе (0,38 м³/с):

Q_а.в. = q · 0,5 · 0,9 / 0,38, мг/м³.

Результаты расчета приведены в табл. 5.3.

Табл. 5.3. Концентрации ЗВ и ИЗА при пайке различными припоями

Сравнительный анализ применения припоев ПОС40 и 95,5Sn/4Ag/0,5Cu показал экологическую безопасность использования в производстве бессвинцовых припоев. Применение припоя, содержащего свинец, при тех же условиях организации рабочего места на участке пайки не удается достичь допустимых уровней ПДК ЗВ как в рабочей зоне, так и на выбросе ИЗА.

Таким образом, утилизация узлов радиоэлектронной аппаратуры должна производиться на специализированных предприятиях. Поэтому вопросы попадания в почву и подземные воды свинца из аппаратуры, содержащей данный металл, являются дискуссионными и требуют дополнительных всесторонних исследований специалистов различного профиля совместно с экологами.

Результаты анализа концентрации загрязняющих веществ в почве в районе полигона ТБО и в населенном пункте (на расстоянии 1,5 км от полигона) показывают, что содержание тяжелых металлов и микроэлементов не превышает нормы ПДК (по данным исследований сотрудников ЗАО НПФ «Овен»). В тоже время следует отметить повышенную концентрацию цинка, кадмия, железа (общ.), свинца и хрома в самом населенном пункте по сравнению с полигоном ТБО.

Превышение ПДК свинца в окружающей среде связано, в первую очередь, с выбросом предприятий, выплавляющих свинец и производящих свинцовые припои, а также с выхлопными газами бензиновых автомобилей.

Отравление растений тяжелыми металлами происходит за счет выпадения токсичных металлов из атмосферы на поверхность листьев. По этому признаку лидирующее положение занимают кадмий и свинец.

При использовании свинцовых припоев источником загрязнения атмосферы свинцом является операция пайки в производстве изделий микроэлектроники (дискретные ППИ, печатные платы и т. д.). Уменьшить концентрацию свинца в рабочей зоне и выбросы в атмосферу при пайке свинцовыми припоями возможно за счет установления специальных фильтров очистки.

Покрытия для бессвинцовой пайки

При решении вопроса о надежности паяных соединений, наряду с выбором оптимальных способов и режимов пайки, необходимо учитывать состав и свойства паяемых покрытий. К покрытиям предъявляются следующие основные требования

• они должны обеспечивать хорошую паяемость с полупроводниковыми кристаллами и свариваемость с внутренними выводами;

• сохранять способность к пайке и сварке при заданном сроке хранения; обеспечивать антикоррозионную защиту;

• не подвергаться иглообразованию при хранении и разрушению при температурах сборки, испытании и эксплуатации.

• обеспечивать минимальное переходное электрическое сопротивление;

• быть устойчивыми к тепловому удару при монтаже приборов на печатные платы пайкой, к химическим реагентам, используемым в процессе сборки;

• обеспечивать адгезию компаунда при герметизации прибора опрессовкой полимером.

В США, начиная с 2004 г. запрещено использование свинца в паяемых покрытиях. В качестве заменителей Sn-Pb покрытий используются следующие металлы и сплавы: чистое Sn, Sn-Bi, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Zn, Sn-Ni, а также наносимые химическим путем Ag, многослойные Ni-Pd-Au, Ni-P/Au и Ni/Au покрытия. Для печатных плат с высокой плотностью элементов рекомендовано использовать Sn/Cu покрытие, осаждаемое из электролита состава, (г/л): 40Sn/0,5Cu (в виде метансульфоната), метансульфоновая кислота 200, органическая добавка 40 мл/л. Режимы осаждения: J_к = 16-24 А/дм², Т = 35-42 °С, t = 1 мин.

Плавящееся покрытие из не менее двух слоев металлов, при расплавлении образующих эвтектический припой наносят на паяемую поверхность. Толщина покрытия 1-20 мкм. Рекомендуется наносить следующие сочетания металлов: 82,5Au/17,5Ni, 55Cu/45Sn и 79Au/17Cu/4Cd.

Анализ паяных поверхностей полупроводниковых кристаллов и оснований корпусов показал, что для пайки бессвинцовыми припоями в первую очередь необходимо проанализировать следующие покрытия: цинковое, никелевое, никель – олово, серебряное, оловянное, цинк – олово и олово – висмут.

Цинковое покрытие

Цинк принадлежит к электроотрицательной группе металлов; его стандартный потенциал минус 0,763 В. Реагирует цинк с H₂S и сернистыми соединениями, образуя сернистый цинк. В сухом воздухе Zn почти не изменяется. Во влажном воздухе и в воде, содержащей CO₂ и O₂, он покрывается пленкой, состоящей из ZnCO₃, которая защищает металл от дальнейшего разрушения. В условиях тропиков цинковое покрытие нестойко. Особо значительна скорость коррозии Zn в атмосфере промышленного города. Солевые пленки на цинке отличаются хорошей растворимостью, легко смываются влагой. Защитные свойства Zn покрытия определяются его толщиной и равномерностью осаждения.

Цинкование производят в простых (кислых, сернокислых, хлористых, борфтористоводородных) и сложных комплексных (цианистых, цинкатных, пирофосфатных, аммиакатных, аминокомплексных с различными органическими аддендами и др.) электролитах. В простых электролитах на катодный процесс при осаждении Zn оказывает влияние кислотность электролита. Практически применяют электролиты цинкования с рН 4-5. Органические вещества, вводимые в кислые электролиты цинкования в качестве добавок, улучшают структуру, внешний вид покрытий и равномерность распределения его на катодной поверхности.

Аноды для цинкования в кислых электролитах изготовляют, как правило, из чистого электролитического Zn (99,8-99,9 % Zn), который может содержать менее 0,03 % Pb; 0,02 Cd; 0,002 % Cu; 0,007 % Fe и 0,001 % Sn.

В качестве покрытий обратной поверхности кристаллов и оснований корпусов под пайку бессвинцовыми припоями заслуживает внимания осаждение сплава Zn-Sn. Данный сплав улучшает паяемость деталей в большей степени, чем Zn покрытия и несколько повышает их коррозионную стойкость. Основной состав электролита следующий, (г/л): ZnO (20-25), NaOH (100-120), станнат натрия (0,4-0,5). Режимы осаждения: Т = 25-30 °С; J_к = 1-1,5 А/дм²; аноды из цинка с присадкой 0,2-0,3 Sn.

Цинк во влажном воздухе покрывается пленкой, состоящей из карбоната цинка, тогда как в сухом воздухе цинк изменяется незначительно. Солевые пленки на цинке отличаются хорошей растворимостью, легко смываются влагой.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: