Lutowanie ołowiowe i bezołowiowe w produkcji elektroniki

Lut ołowiowy jest, a właściwie był, materiałem najczęściej stosowanym w produkcji PCBA ze względu na niewielki koszt, niską temperaturę topnienia i łatwość użycia. 

Jednak obawy związane z neurotoksycznością ołowiu i wpływem lutów ołowiowych na zdrowie i środowisko przyczyniły się do zmiany, w lipcu 2006 r., obowiązujących w UE przepisów dotyczących stosowania substancji niebezpiecznych w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym (RoHS). Z tego też względu, w ciągu ostatnich dwóch dekad szybko rozwijają się techniki lutowania alternatywnymi materiałami lutowniczymi opartymi na cynie, a kontraktowi producenci elektroniki (EMS) przestawiają się na lutowanie bezołowiowe. 

Lutowanie ołowiowe

Lut ołowiowy (inaczej lut SNPB) to stop metali, którego podstawowymi składnikami są: ołów (Pb) oraz cyna (Sn). Rośnie jednak świadomość ryzyka zawodowego związanego z lutowaniem ołowiem, a lut ołowiowy zaczyna być uważany za czynnik stanowiący zagrożenie dla zdrowia w miejscu pracy. Tym bardziej, że pyły i opary powstające podczas lutowania lutem ołowiowym są uważane za neurotoksyczne, gdy są wdychane. 

Dlatego lut ołowiowy jest systematycznie wycofywany z procedur produkcji, ze względu na jego negatywne skutki dla środowiska i zdrowia. I to pomimo wielu niewątpliwych zalet.

Zalety lutów ołowiowych

Lut ołowiowy:

• Ma niższą temperaturę topnienia (183°C) niż lut bezołowiowy (217°C) i powoduje mniej problemów z jakością połączeń i stwarza niższe ryzyko wystąpienia niekorzystnych efektów termicznych w lutowanych komponentach. 
• Stygnący lut ołowiowy ma jaśniejszy kolor niż lut bezołowiowy, co ułatwia wykrywanie potencjalnych problemów, np. takich, jak utlenianie. 
• Jest tańszy i łatwiejszy w użyciu niż lut bezołowiowy, ponieważ cena lutu ołowiowego to 1/10 ceny lutów alternatywnych opartych na cynie. Dzięki czemu jest także bardziej dostępny.

Wady lutów ołowiowych

Firmy stawiające na ochronę zdrowia pracowników i środowiska mają jednak świadomość, że głównym powodem stosowania lutów bezołowiowych są neurotoksyczne właściwości ołowiu

• Ołów może gromadzić się w ludzkim ciele nawet przy niewielkiej, ale trwającej przez dłuższy czas ekspozycji. 
• Ołów jest w stanie szybko przeniknąć do organizmu przez skórę, usta lub nos, a w branżach, w których występuje wysoka emisja ołowiu w procesach produkcji, pracownicy są nieustannie narażeni na niebezpieczeństwa związane z ołowiem, ponieważ mogą wdychać jego pary lub ołów może dostać się do organizmu przez zwykłe dotykanie zanieczyszczonych powierzchni.

To właśnie z tego względu zrezygnowano ze stosowania farb ołowiowych oraz wprowadzono benzynę bezołowiową, a dostawcy usług EMS przestawiają się na lutowanie bezołowiowe. Tym bardziej, że w 2006 roku Unia Europejska (UE) przyjęła dyrektywę RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive), a Stany Zjednoczone poszły w jej ślady, przyznając ulgi podatkowe firmom, które zmniejszyły zużycie lutów na bazie ołowiu. 

Lutowanie bezołowiowe

Alternatywą dla konwencjonalnych lutów ołowiowych 60/40 i 63/37 SnPb są luty bezołowiowe. Stosowane obecnie luty bezołowiowe mają różne składy i mogą zawierać: miedź, cynę, srebro, nikiel, cynk, bizmut oraz antymon. Pozwala to stworzyć stop lutowniczy o wysokiej jakości, tym bardziej że dodatek metali śladowych zapewnia mu bardzo dobre właściwości mechaniczne.

Jednak najpopularniejszą bezołowiową mieszanką lutowniczą jest cyna-miedź, która ma temperaturę topnienia wynoszącą 217°C i składa się z 99,3% cyny z 0,7% miedzi. 

Zalety lutów bezołowiowych

• Luty bezołowiowe są przede wszystkim lepsze dla środowiska oraz zdrowia ludzi i, z tego względu, bardziej ekologiczne.

Dlatego też coraz większa liczba producentów i dostawców usług EMS przestawia się na lutowanie bezołowiowe.

Wady lutów bezołowiowych

Trzeba jednak przyznać, że stosowanie lutów ołowiowych miało swoje, całkiem racjonalne uzasadnienie, ponieważ luty bezołowiowe:

• Są trudniejsze w użyciu niż luty ołowiowe
• Charakteryzują się gorszą zwilżalnością powierzchni niż lut ołowiowy
• Nie są w stanie zagwarantować tak wysokiej niezawodności połączenia, jak lut ołowiowy, ponieważ ołów jest miększy i po prostu łatwiej się nim lutuje.    
• Tworzą tlenki powierzchniowe, zanieczyszczenia topnika i osady stopowe, które mogą powodować słabą rezystancję styku. Dlatego przejście od lutowania lutem ołowiowym na lutowanie lutem bezołowiowym nie pozwala uzyskać takich samych właściwości elektrycznych i mechanicznych lutu.
• Niektórzy producenci stosujący bezołowiowe stopy lutownicze zastępują cynę srebrem, co sprawia, że są jeszcze droższe. 
• A ponadto rdzeń topnika w drucie i topniki bezołowiowe zawierają często ostre środki redukujące, które mają bardzo drażniące działanie na błony śluzowe, prowadząc do podrażnień zatok, gardła oraz oczu pracowników. 

Lut ołowiowy ma wiele zalet w produkcji elektroniki. Jednak zmiany są nieuniknione i wszystkie sektory, które używają lutu w dużych ilościach, prawdopodobnie wkrótce przejdą na lutowanie bezołowiowe. O ile jeszcze tego nie zrobiły.

Co więcej rządy różnych krajów wymuszają stosowanie materiałów przyjaznych dla środowiska, co paradoksalnie prowadzi do braków lutów ołowianych stosowanych przez hobbystów.

Należy też pamiętać, że niższa odporność stopów bezołowiowych na naprężenia mechaniczne sprawia, że skraca się czas życia urządzeń, w których stosowane są PCBA lutowane w ten sposób. I, o ile, nie ma to znaczenia w elektronice użytkowej, w przypadku której urządzenia są szybko wymieniane na nowe ze względu na nieustanny postęp technologiczny, to stosowanie lutów bezołowiowych staje się problematyczne w urządzeniach specjalistycznych, jak np. aparaturze medycznej, czy systemach stosowanych w kolejnictwie. Tym bardziej, że na trwałość lutów duży wpływ mają wahania temperatur, na które odporne są luty ołowiowe. 

Z tego względu w przypadku kontraktowych dostawców usług EMS niezbędne jest nieustanne przestawianie produkcji pomiędzy lutowaniem lutami ołowiowymi i bezołowiowymi, co jest trudnym zadaniem, z którym może sobie poradzić tylko dobry dostawca EMS.