Skąd fosfor w moim telefonie komórkowym?

Poranne godziny szczytu w pełni i stacja metra zapchana ludźmi. Sięgam po mój telefon komórkowy by zadzwonić do pracy i zapowiedzieć, że być może się spóźnię, ale w tym momencie ktoś popycha mnie i komórka wypada mi z ręki.

Publikacja: 17.09.2010 17:28

Skąd fosfor w moim telefonie komórkowym?

Foto: www.sxc.hu

Red

Robi niemal pełne salto, spada po kilku stopniach i ląduje na poziomie peronu. Mój telefon przetrwał już kilka takich upadków, ale ten okazał się śmiertelny. Zebrałem to, co z niego zostało; plastikową obudowę, rozbity wyświetlacz i baterię.

Utrata telefonu komórkowego lub jakiegokolwiek innego elektronicznego gadżetu może być denerwująca, ale są gorsze sytuacje, dotyczące, na przykład, samolotów czy sprzętu medycznego, w którym awaria sprzętu elektronicznego może mieć poważniejsze, wręcz zagrażające życiu konsekwencje. W naszym napędzanym technologią świecie staliśmy się uzależnieni od maszyn i ich właściwego funkcjonowania. W urządzeniu elektronicznym komponenty są przylutowane do płytki obwodu drukowanego. Typowy komputer jest „trzymany w kupie” przez kilka tysięcy takich zlutowanych złącz. Złącza te jednak są podatne na częste wstrząsy mechaniczne, wibracje, nagłe zmiany temperatury – w istocie na wszelkie warunki z którymi stykamy się w codziennym życiu.

Zanim spakowałem to, co zostało z mojego telefonu, jeden element przykuł moją uwagę; kwadratowy chip z szeregiem przylutowanych do niego kulek. Komponenty tego rodzaju – tak zwane BGA (ball-grid arrays) są często używane do pakowania dużej liczby połączeń elektrycznych na małej przestrzeni. Zlutowane kulki zapewniają elektryczny i mechaniczny kontakt pomiędzy chipem a płytką obwodu drukowanego.

BGA jest przylutowany do podkładek na płytce obwodu drukowanego. Podkładki te są zrobione z amorficznego stopu niklu i fosforu. Fosfor jest fizjologicznie ważnym elementem znajdującym się w wielu biologicznych molekułach, ale w formie czystej jest wysoce łatwopalny i może łatwo wyparować. Choć jego obecność w urządzeniach elektronicznych może się na pierwszy rzut oka wydawać dziwna, przemysł lubi ten rodzaj stopu, ponieważ dobrze się lutuje i może być łatwo doklejony do powierzchni miedzianych – takich jak konektory na płytce obwodu drukowanego – poprzez wywołanie reakcji soli niklu z użyciu podfosforynu sodu.

Luty są zrobione z plastycznych, opartych na cynie materiałach, ale podczas procesu lutowania wchodzą w reakcję chemiczną z metalami do których są przyłączane – takich jak stop niklowo-fosforowy – by stworzyć związek składający się z kilku metali. Te stopy są łamliwe i mogą pęknąć w wyniku uderzenia.

Jak pokazuje incydent z telefonem komórkowym, dobór materiałów wymaga kompromisów pomiędzy pożądanymi właściwościami fizycznymi i mechanicznymi, łatwością przetwarzania, zachowaniem podczas życia urządzenia i, w coraz większym stopniu, możliwościami ponownego użycia, recyklingu lub pozbycia się po jego zakończeniu. Rozwój stopów i innych materiałów wykorzystywanych w elektronice znajduje się w centrum zainteresowania Instytutu Chemii Nieorganicznej i Chemii Materiałowej Uniwersytetu Wiedeńskiego. Podstawą badań nad stopem jest utworzenie diagramu fazowego. Każdy diagram, odpowiedni dla danego materiału, działa jak mapa. Zamiast rzek, dróg i miast pokazuje temperatury topnienia, związki chemiczne, przemiany i wiele innych rzeczy które są ważne przy projektowaniu materiałów. Z pomocą diagramu fazowego stopu niklu, fosforu i cyny, który jest obecnie badany w naszym laboratorium, można zrozumieć proces, który ma miejsce, gdy oparty na cynie lut jest używany by połączyć powierzchnie niklowo-fosforowe. Związki chemiczne wytwarzające się podczas lutowania mają związek z diagramem fazowym, więc zrozumienie tego diagramu musi być podstawą do wszelkiego dalszego rozwoju w jego sensie praktycznym.

Fosfor nie jest łatwym materiałem do pracy. Przygotowanie próbek stopów niklowo-fosforowo-cynowych w laboratorium wymaga by te składniki były podgrzewane razem w zamkniętym tyglu. Fosfor łatwo wyparowuje, powodując narastanie ciśnienia i czasami tygiel pęka. Z tego powodu nasza praca koncentruje się na stopach bogatych w nikiel. Nawet przy tak ograniczonych możliwościach kompozycyjnych, przy okazji znaleziono bardzo szeroką paletę różnych substancji, które się przy tej okazji wydzielają. Mogą one powstawać przy lutowaniu złącza i określać jego właściwości.

Nasze zrozumienie systemu niklowo-fosforowo-cynowego, a w konsekwencji tego rodzaju lutowanych złącz, wciąż ma przed sobą długą drogę. Większość powstałych związków jest kruchych, co może określać wytrzymałość lutowanych złącz. W przyszłości bardziej kompleksowa wiedza o diagramie fazowym i właściwościach związków, które opisuje, pozwoli nam nie tylko zrozumieć zachowanie lutowanego złącza (lub jakiegokolwiek innego materiału), ale również przewidzieć to zachowanie. Udoskonalenie procesu lutowania i produktów końcowych opartych na tej wiedzy wzmocni wytrzymałość i niezawodność urządzeń elektronicznych. Jest prawdopodobne, że za kilka lat mój telefon komórkowy przetrwałby upadek ze schodów.

W końcu dotarłem do pracy i położyłem rozbity telefon na biurku. Włączając komputer zdałem sobie sprawę, że tysiące budzących się do pracy komponentów i lutowanych złącz także zawiera BGA i fosfor. W przeciwieństwie do mojego telefonu komórkowego komputer nie spadł ze schodów i działał sprawnie. Szybki przegląd wyników najnowszych badań usatysfakcjonował mnie. Mimo wszystko to nie był najgorszy dzień.

Clemens Schmetterer jest pracownikiem Instytutu Chemii Nieorganicznej i Chemii Materiałowej Uniwersytetu Wiedeńskiego

 

Robi niemal pełne salto, spada po kilku stopniach i ląduje na poziomie peronu. Mój telefon przetrwał już kilka takich upadków, ale ten okazał się śmiertelny. Zebrałem to, co z niego zostało; plastikową obudowę, rozbity wyświetlacz i baterię.

Utrata telefonu komórkowego lub jakiegokolwiek innego elektronicznego gadżetu może być denerwująca, ale są gorsze sytuacje, dotyczące, na przykład, samolotów czy sprzętu medycznego, w którym awaria sprzętu elektronicznego może mieć poważniejsze, wręcz zagrażające życiu konsekwencje. W naszym napędzanym technologią świecie staliśmy się uzależnieni od maszyn i ich właściwego funkcjonowania. W urządzeniu elektronicznym komponenty są przylutowane do płytki obwodu drukowanego. Typowy komputer jest „trzymany w kupie” przez kilka tysięcy takich zlutowanych złącz. Złącza te jednak są podatne na częste wstrząsy mechaniczne, wibracje, nagłe zmiany temperatury – w istocie na wszelkie warunki z którymi stykamy się w codziennym życiu.

Pozostało jeszcze 81% artykułu
Materiał Partnera
Fajans w dyplomacji. Jak ceramika z Włocławka zaistniała w polityce kulturalnej PRL?
Nauka
Picasso w świecie biznesu. Dlaczego powstają korporacyjne kolekcje sztuki
Nauka
Naukowcy potwierdzili 67-letnią hipotezę. „Niemożliwe” odkrycie
Nauka
Sprawdzian z góralskiego. Czy da się jeszcze ocalić mowę Podhala?
Nauka
Szympansom bliżej do zachowań ludzi, niż nam się wydawało. Nowe wyniki badań
Materiał Promocyjny
Lenovo i Motorola dalej rosną na polskim rynku