Экологические аспекты проблемы бессвинцовой пайки изделий микроэлектроники

В последние годы бессвинцовой пайке в производстве изделий микроэлектроники уделяют пристальное внимание специалисты, работающие в этой области. Это связано с призывом экологов запретить использование свинца в электронной аппаратуре. По их мнению, размещение на полигонах (свалках) отслуживших свой срок изделий, содержащих свинец в припое, ухудшает экологическую ситуацию.

Почему акцентируется внимание только на свинце? Разве другие ингредиенты, входящие в состав отходов производств всех уровней, не ухудшают экологию?

В связи с возникшей полемикой об ухудшении экологии, якобы вызванной свинецсодержащими изделиями радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), необходимо подробно проанализировать существующие в РФ законодательные акты по утилизации и размещению твердых бытовых отходов (ТБО), в том числе содержащие свинец. На наш взгляд, заслуживают внимания особенности функционирования полигонов для размещения ТБО.

Нормативные требования к размещению твердых бытовых и токсичных промышленных отходов

Любая деятельность человека, исключающая вредное воздействие на окружающую среду, обеспечивает экологическую безопасность.

Уже многие годы деятельность человека, связанная с загрязнением окружающей среды, регулируется нормативными документами.

Особенно строгое регулирование осуществляется по отношению к токсичным промышленным отходам [2]. Для этой цели сооружаются специальные полигоны по обезвреживанию, переработке и захоронению токсичных промышленных отходов в соответствии с требованиями СНиП 2.01.28-85 (Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию. Центральный институт типового проектирования. Госстроя СССР, 1990).

Захоронение токсичных, химических и биологически опасных отходов на полигоне запрещено. Отходы этого типа должны собираться отдельно, обезвреживаться перед захоронением на полигоне или сжигаться.

В [3, прил. 2] приведены виды токсичных промышленных отходов, размещение которых на полигонах ТБО недопустимо. К их числу относятся отходы, содержащие следующие материалы: ртуть, шестивалентный хром, кобальт, цинк, медь, никель, кадмий, свинец, бром, соли тяжелых металлов, а также некоторые неорганические (серная кислота и др.) и органические (фенол и др.) вещества.

Наиболее близко к изделиям радиоэлектроники можно отнести группу под кодом 353 000 00 00 000 — лом и отходы цветных металлов, содержащие алюминий, свинец, медь, цинк, никель, олово, титан, хром.

В подгруппу под кодом 353 102 00 01 010 относят:

• лом и отходы, содержащие свинец;
• лом свинца несортированный;
• лом свинца в кусковой форме незагрязненный;
• отходы, содержащие свинец (в том числе пыль и/или опилки свинца), несортированные;
• отходы, содержащие свинец в кусковой форме;
• опилки свинцовые незагрязненные;
• пыль (порошок) свинца незагрязненная;
• скрап свинцовый незагрязненный;
• стружка свинцовая незагрязненная;
• свинцовые пластины отработанных аккумуляторов;
• кабель медно-жильный освинцованный, потерявший потребительские свойства. Дальнейшее совершенствование нормативных документов в области обращения с отходами осуществляется согласно федеральному классификационному каталогу [ 1 ], с дополнением [4].

Токсикологическая оценка металлов, входящих в состав припоев и покрытий для бессвинцовой пайки

К наиболее токсичным металлам относятся ртуть, кадмий, свинец, мышьяк. Они не являются ни жизненно необходимыми, ни благотворными, но даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических* функций организма. Объединенная комиссия ВОЗ по пищевому кодексу (Codex Alimentarius) включила ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, медь, стронций, цинк и железо в число компонентов, содержание которых контролируется при международной торговле продуктами питания. Медико-биологическими требованиями СанПиН 2.3.2.560-96 определены критерии «опасности» следующих металлов: свинец, кадмий, ртуть, медь, цинк, олово, железо.

Анализ припоев и паяемых покрытий в производстве изделий радиоэлектроники показал, что в их состав входят в основном следующие металлы: Bi, Jn, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, Ag, Sb, P, Zn. Свойства данных металлов с точки зрения безопасности жизнедеятельности подробно рассмотрены в энциклопедических словарях [5, 6].

Экологическая оценка припоев  ПОС40 (40Sn/60Pb) и припоя бессвинцовой пайки 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.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) для свинца и его неорганических соединений приняты: для атмосферного воздуха (ПДК_ав) — 0,003 мг/м³, для рабочей зоны

(ПДК_р.з.) — 0,01 мг/м³, для питьевой воды (ПДК_п.в.)— 0,03 мг/л[ 1,2].

Максимально допустимые 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_рз. — 1 мг/м³, ПДК_ав — 0,002 мг/м³; для серебра ПДК _рз — 1 г/м³, ПДК_{а в} — не регламентируется [7].

Метаболизм — совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности

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

При пайке электропаяльником 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 припоя ПОС40 и припоя бессвинцовой пайки 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 ₃) 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_P3 = q х 0,5 х 0,1 х 0,5 х 28 800/10, мг/м³.

Экологическая оценка применения тех же припоев проведена на ИЗА (Q_aв), 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_aв = q х 0,5 х 0,9 / 0,38, мг/м³.

Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таким образом, сравнительный анализ применения припоя ПОС40 и припоя бессвинцовой пайки 95,5Sn/4Ag/0,5Cu показал экологическую безопасность использования в производстве припоев бессвинцовой пайки. При применении 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.

Заключение. Решение проблем бессвинцовой пайки

1. 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 то же время следует отметить повышенную концентрацию цинка, кадмия, железа (общ.), свинца и хрома в самом населенном пункте по сравнению с полигоном ТБО.

2. 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.

3. При использовании свинцовых припоев источником загрязнения атмосферы свинцом является операция пайки в производстве изделий микроэлектроники (дискретные полупроводниковые изделия, 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.

Литература

1. Федеральный классификационный каталог отходов. Утвержден приказом Министерства природных ресурсов РФ № 786 от 02.12.2002.
2. Сборник нормативных документов по переработке, обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. В 2 томах. Изд-во «Промэкознание». М., 1991.
3. Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления. СанПиН 2.1.7.1322-03. Минздрав РФ. М., 2003.
4. Дополнение к федеральному классификационному каталогу отходов. Утверждено приказом МПР РФ № 663 от 14.08.2003.
5. Карамзинов Ф. В., Русак О. Н., Гребенников С. Ф., Осенков В. Н. Безопасность жизнедеятельности: Словарь-справочник / Под общей редакцией С. Ф. Гребенникова. СПб.: Изд-во «Лань», 2001.
6. Безопасность деятельности: Энциклопедический словарь / Под ред. засл. деят. науки и техники РФ, д-ра техн. наук, проф. О. Н. Русака. СПб: Информационно-издательское агентство «ЛИК», 2003.
7. Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для автотранспортных предприятий (расчетным методом). Утверждена зам. министра транспорта РФ 28.10.1998.