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 81% artykułu
Nauka
W organizmach delfinów znaleziono uzależniający fentanyl
https://track.adform.net/adfserve/?bn=77855207;1x1inv=1;srctype=3;gdpr=${gdpr};gdpr_consent=${gdpr_consent_50};ord=[timestamp]
Nauka
Orki kontra „największa ryba świata”. Naukowcy ujawniają zabójczą taktykę polowania
Nauka
Radar NASA wychwycił „opuszczone miasto” na Grenlandii. Jego istnienie zagraża środowisku
Nauka
Jak picie kawy wpływa na jelita? Nowe wyniki badań
Materiał Promocyjny
Bank Pekao wchodzi w świat gamingu ze swoją planszą w Fortnite
Nauka
Północny biegun magnetyczny zmierza w kierunku Rosji. Wpływa na nawigację