Tin-whiskers a RoHS

13 czerwca 2012, autor: kzmuda

Whisker na potencjometrze odczytującym położenie pedału gazu w samochodzie

Whisker na potencjometrze odczytującym położenie pedału gazu w samochodzie

19 maja 1998 roku około godziny 15:00 utracono kontrolę nad satelitą Galaxy IV. Satelita uległ awarii i wpadł w niekontrolowaną rotację. W wyniku awarii miliony ludzi w USA straciło możliwość przesyłania wiadomości na Pagery. Przywrócenie serwisu zajęło kilka dni. Skutki awarii odczuły także stacje telewizyjne Reuters, CBS oraz radiowa NPR. Stacje te zmuszone zostały do szukania alternatywnych kanałów przekazu. Nad satelitą nigdy nie odzyskano już kontroli.

17 kwietnia 2005 roku w elektrowni atomowej Millstone w Waterford, Connecticut –  karta pomiarowa systemu odprowadzania pary reaktora atomowego wykrywa zbyt niskie ciśnienie w przewodach. Uruchomiona zostaje awaryjna procedura wyłączania reaktora. Po późniejszej kontroli okazało się, że ciśnienie w przewodach było w normie.

W marcu 2010 roku Wydział Transportu (Department of Transportation, USA) zwraca się o pomoc do NASA (NASA Engineering & Safety Center) w celu rozpoznania przyczyny nagłego przyspieszania samochodów marki Toyota Camry, wyprodukowanych w latach 2002 – 2006. Incydenty te doprowadzały do drobnych wypadków i stłuczek, jednak realnie zagrażały życiu i zdrowiu uczestników ruchu.

Okazuje się, że te i wiele innych awarii są ze sobą powiązane. Winnym tych awarii jest tin-whisker, czyli mały cynowy włosek, który stwarza zagrożenie zwarć i uszkodzeń sprzętu elektronicznego. Zahamowanie rozwoju tych włosków jest możliwe już po dodaniu do stopu cyny minimum 3% ołowiu. Mimo to w dobie ograniczania zawartości ołowiu w sprzęcie elektronicznym przez europejską dyrektywę RoHS, zagrożenie staje się szczególnie realne, o tyle, że dyrektywa ta obejmuje coraz to większe sektory działalności związanej z elektroniką. Od roku 2014 dyrektywą mają zostać objęte urządzenia medyczne oraz kontrolno-pomiarowe. W 2016 roku do dyrektywy dołączone mają zostać urządzenia związane z elektroniką samochodową.
Do tej pory nie odkryto skutecznej metody zastąpienia stopów cynowo-ołowiowych mimo, że badania nad tin-whiskersami trwają od lat 40 XX wieku. Dlatego dyrektywa ta stwarza ogromne zagrożenia dla życia i zdrowia ludzi oraz budzi coraz większe kontrowersje.

Co to jest whisker?

Whiskersy są cienkimi włoskami spontaniczne wyrastającymi z powierzchni metalu. Zjawisko to dotyczy takich metali jak: cyna, cynk, złoto, srebro, kadm, platyna, aluminium, ind. W elektronice najczęściej mamy do czynienia z tin-whiskers, czyli z włoskami cyny. Wzrost cynowych włosków rozpoczyna się po okresie inkubacji, który może trwać od kilku sekund do kilku lat. Oznacza to, że ich wzrost może się rozpocząć zaraz po przylutowaniu elementu lub po kilku latach od jego montażu. Okazuje się, że najłatwiej tin-whiskersy rosną ze spoiwa, chociaż równie dobrze mogą wyrosnąć z powierzchni samych elementów.

Tin-Whiskersy na powierzchni wyprowadzeń obudowy 0805 kondensatora ceramicznego.

Tin-Whiskersy na powierzchni wyprowadzeń obudowy 0805 kondensatora ceramicznego.

 

Zbliżenie na wyprowadzenia kondensatora 0805

Zbliżenie na wyprowadzenia kondensatora 0805

 

Przeciętna długość cynowych włosków wynosi kilka milimetrów (1,5mm – 10mm), w rzadkich przypadkach długość ta przekracza 10mm. Ich średnica waha się w granicach 0,006μm do 10μm.

Porównanie grubości włosa ludzkiego oraz cynowego włoska

Porównanie grubości włosa ludzkiego oraz cynowego włoska

 

Tin-whiskersy rosną praktycznie w każdych warunkach – bez udziału pola elektrycznego, w próżni lub atmosferze. Uznaje się, że zakres temperatur sprzyjający ich wzrostowi mieści się w granicach od 25st.C do 75st.C (optymalną temperaturą jest 50st.C). Cynowe włoski przybierają różne kształty: powyginane, hakowate/zgięte, iglaste (proste i cienkie), prążkowane oraz inne nieokreślone kształty.

Rys historyczny

Dokładny mechanizm wzrostu cynowych wąsów nie jest jeszcze dobrze rozpoznany. Istnieją sprzeczne teorie na ten temat. Jedna z teorii mówi, że cynowe włoski są związane z naprężeniami materiału (głównie „ściskanie” materiału). Kolejna, że jest to wynik rekrystalizacji oraz nieprawidłowego wzrostu cząsteczek ołowiu, co prowadzi do lokalnych naprężeń. Pierwszy raz problem został dostrzeżony w latach 40. XX wieku, podczas drugiej wojny światowej. Zaobserwowano wówczas powtarzające się awarie sprzętu, spowodowane zwarciami przez kadmowe włoski (w tych czasach materiałem łączeniowym był kadm). Awarie zostały udokumentowane w 1946 roku przez H.L. Cobba [1]. W związku z tymi awariami Labolatoria Bell zaproponowały i zapoczątkowały zmianę technologii montażu i wprowadzenie zamiast kadmu czystej cyny. Szybko okazało się jednak, że spoiwa oparte o czystą cynę stwarzają bardzo podobne problemy, jak w przypadku kadmu. Problemy te zostały opisane przez K.G. Comptona [2] w 1951 roku. Od tego momentu Labolatoria Bell jaki i inne potężne organizacje badawcze takie jak: ITRI (the International Tin Research Institute), ESA (the European Space Agency), Northern Electric, the L.M. Ericsson Telephone Company (Szwecja) i inne rozpoczęły zakrojone na szeroką skalę badania nad problemem wzrostu cynowych włosków. W 1956 roku S.M. Arnold opublikował podsumowanie wszystkich dostępnych wyników zebranych przez Labolatoria Bell [3], a w roku 1959 opublikował dokument [4], w którym wskazał na dobre właściwości stopu cyny (Sn) i ołowiu (Pb) (gdzie zawartość ołowiu w cynie wynosi wagowo 3-10%), które mocne ograniaczają wzrost cynowych włosków. Ciekawe jest to, że do tej pory nie przeanalizowano, dlaczego ta domieszka wpływa pozytywnie na jakość spoiwa.

Lata 50. były okresem najintensywniejszych badań nad cynowymi włoskami, powstało wówczas wiele publikacji na ten temat. Znamienne jest to, że problemy wzrostu włosków z czystych metali poruszane w tamtych latach nie zostały rozwiązane do dziś i są ciągle analizowane. Pierwsze trzy lata XXI wieku ponownie zaowocowały bardzo licznymi publikacjami opisującymi powyższy temat, ze względu na konieczność dostosowania się do przepisów Unii Europejskiej o ochronie środowiska, mówiących o usunięciu ze stopu ołowiu. Powstały liczne konsorcja, mające na celu zbadanie wpływu usunięcia ołowiu ze stopu cyny oraz zminimalizowania ewentualnych niepożądanych skutków.

Dyrektywa RoHS

Jest to dyrektywa określająca ograniczenie stosowania substancji niebezpiecznych. Została ona przyjęta przez Unię Europejską w lutym 2003 roku, a weszła w życie z dniem 1 lipca 2006 roku. Od tej pory każde państwo członkowskie UE musi ją egzekwować. Dyrektywa ta ogranicza stosowanie siedmiu niebezpiecznych materiałów m.in. w różnego rodzaju sprzęcie elektrycznym i elektronicznym i jest ona ściśle powiązana z dyrektywą WEEE –  o odpadach urządzeń elektrycznych i elektronicznych, której celem jest określenie zasad zbiórki i recyklingu urządzeń elektrycznych i elektronicznych oraz rozwiązanie problemu toksyczności odpadów.

Dyrektywa RoHS jest kojarzona głównie jako dyrektywa bezołowiowa, chociaż określa ona ograniczenie stosowania siedmiu substancji: Ołów (Pb), Rtęć (Hg), Kadm (Cd), Chrom sześciowartościowy (Cr6+), Polichlorowane bifenyle (PBB), polibromowy eter fenylowy (PBDE), Akrylamid. Ma ona na celu ograniczenie obiegu substancji niebezpiecznych oraz zmniejszenia negatywnego oddziaływania tych substancji na człowieka.

Pewna grupa urządzeń elektronicznych jest wyłączona na stałe lub czasowo spod dyrektywy RoHS. Jednakże wyłączenia spod dyrektywy ciągle są uaktualniane i coraz mniejsza grupa urządzeń jest zwolniona z dostosowania się do dyrektywy. Obecnie RoHS nie objęte są następujące grupy urządzeń:

  • Sprzęt militarny oraz kosmiczny
  • Urządzenia medyczne – zwolnione do 2014 r., wyjątek stanowią defibrylatory, które mają być zgodne z dyrektywą do 2021 r.
  • Urządzenie związane z motoryzacją – zwolnione do 2016 r.
  • Urządzenie kontrolno-pomiarowe – zwolnione do 2014 r.
  • Przemysłowe urządzenia kontrolno-pomiarowe – zwolnione do 2017 r.

Kilka faktów na temat ołowiu

  1. Ołów był stosowany przez człowieka jeszcze 6500 lat pne. Od około 3800 pne. był używany do wyrobu ozdób i biżuterii.
  2. Wpływ nadmiaru ołowiu w organizmie człowieka został dobrze udokumentowany (ołów dostaje się do organizmu tylko przez wdychanie i połknięcie, działa jak neurotoksyny, hamuje produkcję hemoglobiny, wpływa na rozwój mózgu, dzieci są bardziej podatne na szkodliwe działanie ołowiu niż dorośli)
  3. Największą redukcję poziomu ołowiu we krwi od roku 1975 udało się uzyskać głównie dzięki wprowadzeniu benzyny bezołowiowej (udokumentowano 78% redukcję do 1994 roku przez EPA), wyeliminowanie ołowiu z farb dało dodatkowe korzyści.
  4. Samo przebywanie przy sprzęcie elektronicznym, który został wyprodukowany w standardowej technologi „ołowiowej” nie wpływa na zawartość ołowiu we krwi.
  5. Temperatura wrzenia ołowiu to 1740 °C.

Kontrowersje wokół dyrektywy RoHS

Powodem wprowadzenia dyrektywy RoHS była chęć ochrony środowiska naturalnego oraz zminimalizowanie wpływu substancji niebezpiecznych na człowieka. Niestety została ona ustanowiona  bez uwzględnienia uwag producentów elektroniki oraz ośrodków badawczych, prowadzących badania nad stosowaniem alternatywnych technologii. Dyrektywa wprowadzona jest w myśl zasady: „Kiedy działalność przynosi wzrost zagrożenia dla ludzi i środowiska, należy zastosować środki ostrożności, nawet jeśli ich relacje przyczynowo-skutkowe nie są do końca wyjaśnione naukowo „. Już sama ta zasada usprawiedliwia próbę wprowadzania różnego rodzaju aktów prawnych, w imię szeroko pojętej ochrony środowiska i ludzi. Dodatkowo można z tego wyczytać, iż dane akty prawne wcale nie muszą być skuteczne, a w najlepszym przypadku nie przyniosą spodziewanych efektów. Zatem nie należy zadawać sobie pytania „czy”, lecz „kiedy” cały produkowany sprzęt elektroniczny zostanie objęty całkowitym zakazem stosowania ołowiu. W związku z powyższym wydaje się daremnym przedstawianie jakichkolwiek dowodów na niesłuszność wprowadzania dyrektywy RoHS, przynajmniej w zakresie szeroko pojętej elektroniki. Poniżej przedstawię kilka kontrowersyjnych punktów wokół dyrektywy.

Biorąc pod uwagę próbę ograniczenia ilości ołowiu będącego w obiegu we wszelkiego rodzaju produktach, należy uzmysłowić sobie najpierw, jaki jest udział elektroniki w konsumpcji ołowiu na tle reszty przemysłu na całym świecie. Okazuje się, że przemysł elektroniczny pochłania około 0,5% globalnego zużycia ołowiu. Dla porównania akumulatory kwasowo-ołowiowe nie są objęte, żadną dyrektywą nakazującą zmniejszenie zużycia ilości ołowiu, a przecież to produkcja akumulatorów pochłania 80% globalnego zapotrzebowania na ołów! Dla przykładu redukcja ołowiu w 1 000 000 000 sztuk układów scalonych jest równa zawartości ołowiu w przybliżeniu 100 sztuk akumulatorów samochodowych. To z kolei stanowi niespełna 0,05% akumulatorów samochodowych, które rocznie nie podlegają recyklingowi.

Kontrowersyjny jest także punkt, w którym udowadnia się, że dyrektywa ma za zadanie chronić zdrowie ludzi tak, aby ołów nie odkładał się w organizmie człowieka. W szczególność chodzi o kraje trzeciego świata, gdzie demontaż sprzętu często odbywa się nad otwartym ogniem. Jak już zostało wcześniej wspomniane temperatura wrzenia ołowiu to 1740 °C, natomiast typowa temperatura „otwartego ognia” wynosi 1000°C, zatem w tych warunkach ołów nie jest w stanie przenieść się do krwiobiegu. Poza tym nie istnieje mechanizm, który byłby w stanie przenieść ołów ze sprzętu elektronicznego do krwi przez bezpośredni kontakt. Nie ma także dowodów na podwyższony poziom ołowiu we krwi u monterów uczestniczących bezpośrednio w produkcji sprzętu elektronicznego.

Zamienniki dla materiałów „ołowiowych” mają gorszy wpływ na środowisko. Dla przykładu podane jest zestawienie tabel wraz z wynikami badań z IKP University of Stuttgart, Department Life Cycle Engineering. Objaśnienie dla poniższych wykresów:

  • Energy – zużycie energii w MJ.
  • Global Warming Potential – wpływ na globalne ocieplenie (100 lat), jest to ekwiwalent wyemitowanego CO2 do powietrza w kg.
  • Acidification Potential – zakwaszenie, jest to ekwiwalent emisji SO2 lub NOx do powietrza w kg.
  • Human toxicity potential – wpływ toksyczności na człowieka, jest to ekwiwalent emisji DCB (dichlorobenzenu) spowodowanej głównie przez metale ciężkie.

Założenia przyjęte podczas obliczeń:

  • Obliczenia obejmują zakres: od wydobycia surowców do gotowego wyrobu (włączając w to wszystkie składowe czynniki np. zasilanie lub dodatkowe wyposażenie).
  • Cały cykl życia (od początku do jego całkowitej technologicznej śmierci) nie jest brany pod uwagę, ze względu na brak wiarygodnych danych (szczególnie z wysypisk śmieci). Na wysypiskach śmieci jest wiele metali ciężkich, których emisja może przekłamać wyniki w znaczącym stopniu.
Zużycie energii

Zużycie energii

 

Toksyczność dla człowieka

Toksyczność dla człowieka

 

Zakwaszenie

Zakwaszenie

 

Globalne ocieplenie

Globalne ocieplenie

 

Kolejnym zagrożeniem są gorsze właściwości łączeń. Spoiwa bezołowiowe wymagają wyższych temperatur lutowania, co przedkłada się na koszt i niezawodność. Łatwiej uszkodzić elementy przy wyższej temperaturze, a cyna ma gorsze właściwości pod kątem „zwilżania”. Brak określonego standardu dla zamienników powoduje, że na rynku dostępnych jest wiele substancji o różnych właściwościach oraz temperaturach topnienia.

Oczywiście jednym z zagrożeń są także tytułowe Tin-Whiskersy. Jak zostało zaprezentowane na wstępie, cynowe włoski wyrastające spontanicznie z elementów oraz spoiwa mogą spowodować wiele niebezpiecznych dla życia i zdrowia ludzi, i to na dużą skalę. Dodatkowo na rynku ciągle brakuje zamienników, które jakościowo zastąpiłyby stopy cynowo-ołowiowe i co najmniej w takim samym stopniu hamowały rozwój cynowych włosków. Oczywiście istnieją metody powlekania spoiw i elementów elektronicznych substancjami hamującymi rozwój tin-whiskersów, jednak nie dają one oczekiwanych rezultatów, i mimo to cynowe wąsy są w stanie przebić się przez bariery ochronne oraz doprowadzić do zwarć. Średnio czas oczekiwania na pojawienie się tin-whiskersów, to w przybliżeniu 10 lat. Dochodzimy zatem powoli do momentu, w którym urządzenia „PB Free” mogą zacząć ulegać awariom. Należy jedynie mieć nadzieję, że nie wydarzy się jakaś tragedia, która uzmysłowi wszystkim, że być może zmierzamy w złym kierunku.
Warto wspomnieć, że w kilku dziedzinach elektroniki cynowe włoski nie sprawiają problemów, np. w telefonii komórkowej. Tutaj wymiana telefonów na rynku następuje tak szybko, że jest małe prawdopodobieństwo powstawania awarii z przyczyn cynowych włosków. Dodatkowo nawet jeśli taka awaria nastąpi, to nikt nie sprawdza jej przyczyny i przemija ten fakt bez echa. Dopiero w urządzeniach, od których wymaga się pracy ponad 10 lat, można obserwować fakt rozrostu tego niesprzyjającego zjawiska, co zostało przedstawione na wstępie artykułu.

Wzrost zagrożenia ze strony cynowych włosków jest tym większy, im szybciej postępuje miniaturyzacja elementów elektronicznych. Mniejsze elementy, to mniejsze odległości między poszczególnymi wyprowadzeniami, co z kolei wpływa na podniesienie prawdopodobieństwa zwarć oraz skraca drogę, którą musi przebyć cynowy włosek, aby takiego zwarcia dokonać. Można by pomyśleć, że dyrektywa wyłącza z obowiązku stosowania bezołowiowych substancji te systemy, które są krytyczne dla życia czy bezpieczeństwa człowieka. Niestety jest to mylne pojęcie ze względu na czystą ekonomię. Producentom elektroniki, czy też akcesoriów do elektroniki nie opłaca się utrzymywać równolegle dwóch linii produkcyjnych, na których z jednej strony montowana jest elektronika ze standardowymi materiałami zawierającymi ołów, a z drugiej linia z elementami wolnymi od ołowiu. Elektronika zwolniona z RoHS stanowi ok 1% całej elektroniki produkowanej na świecie. Dlatego też, nawet te urządzenia siłą rzeczy stają się urządzeniami zgodnymi z dyrektywą. Dodatkowo ciągle zawęża się grupę urządzeń zwolnionych ze stosowania RoHS, zatem producenci nie chcą czekać na ostatnią chwilę ze zmianami i wyprzedzają fakt włączenia ich grupy do tego aktu prawnego.

Podsumowanie

Wprowadzenie dyrektywy RoHS już od samego początku budzi kontrowersje. Niestety wydaje się, że argumenty zgłaszane przez różne środowiska związane z elektroniką nie są brane pod uwagę. Mimo, iż wprowadzenia RoHS ma z założenia szczytny cel, niestety może przynieść w konsekwencji coś przeciwnego. O tym, że zagrożenia związane ze stosowaniem substancji alternatywnych są realne, świadczy chociażby strona NASA, na której dokumentuje się większe awarie, spowodowane przez tin-whiskers. Trudno wręcz uwierzyć, że chodzi o ograniczenie ilości ołowiu będącego w obiegu, jeśli restrykcje obejmują branżę, która pochłania około (wg różnych źródeł) od 0,5 – 2% światowego zapotrzebowania na ołów. Ciągle zawężająca się grupa urządzeń wyłączonych spod działania dyrektyw, każe domyślać się, że ostatecznie wszystkie urządzenia zostaną objęte tą dyrektywą, o ile nie pojawi się jakiś poważny argument w postaci poważnej awarii lub katastrofy spowodowanej przez cynowe włoski.

Źródła

http://en.wikipedia.org/wiki/Whisker_%28metallurgy%29
http://thor.inemi.org/webdownload/newsroom/Presentations/SMTAI-04_tin_whiskers.pdf
http://www.sjsu.edu/faculty/selvaduray/page/recent/TinWhiskers.pdf
http://nepp.nasa.gov/whisker/reference/tech_papers/2011-kostic-Pb-free.pdf
http://www.boeing.com/defense-space/space/bss/panamsat/statement.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy_IV
http://www.calce.umd.edu/tin-whiskers/TINWHISKERFAILURES.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Millstone_Nuclear_Power_Plant
http://nepp.nasa.gov/whisker/reference/tech_papers/2011-NASA-GSFC-whisker-failure-app-sensor.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Restriction_of_Hazardous_Substances_Directive
http://leadfree.ipc.org/files/RoHS_15.pdf

Elektronik – Magazyn Elektroniki Profesjonalnej, numer 2/2012

Literatura

[1] H.L. Cobb, “Cadmium Whiskers,” Monthly Rev. Am. Electroplaters Soc., 33 (28): pp. 28-30, Jan. 1946.
[2] K.G. Compton, A. Mendizza, and S.M. Arnold, “Filamentary Growths on Metal Surfaces – Whiskers,” Corrosion 7(10): pp. 327-334, October 1951.
[3] S.M. Arnold, “The Growth and Properties of Metal Whiskers,” Proc. 43rd Annual Convention of the American Electroplater’s Soc., pp. 26-31, 1956.
[4] S.M. Arnold, “The Growth of Metal Whiskers on Electrical Components,” Proc. of the IEEE Elec. Comp. Conf., pp. 75-82, 1959.

Zdjęcia

Zdjęcia pochodzą ze strony http://nepp.nasa.gov/whisker/ lub dokumentów uwzględnionych w spisie źródeł.

Skomentuj

*