Оловянные нитевидные кристаллы в электронной технике

Из раздела удивительное рядом .


Практика показывает, что пути поисковиков неисповедимы. Так и в этот раз - собирался всего лишь найти как правильно называется губка для чистки жал паяльника по английски, а в итоге нашел нашел информацию об очень интересном явлении, про которое, к моему удивлению, никогда раньше не слышал.

Внимание привлекло слово whisker в сочетании с solder. Технические словари дают много вариантов перевода, самые близкие по смыслу - нитевидные усы, контактный усик, нитевидный кристалл.

Суть явления: в ряде случаев из припоя и залуженных поверхностей могут вырастать очень тонкие (обычно около 1мкм) и длинные(до 10мм) прямые кристаллы.

Явление наблюдается в основном для чистых металлов (олова, цинка) и практически не наблюдается для сплавов со свинцом и самого свинца. Наибольшее интерес явление представляет для случая с чистым оловом, так как его нередко используют для покрытия контактов радиодеталей и как раз таки из него нитевидные кристаллы очень хорошо растут.

Интересным является и тот факт, что доподлинно механизм образования подобных усов до сих пор неизвестен, хотя и существует множество теорий ни одна из них на 100% не подтверждена. Известно, что чаще всего подобные образования появляются на деталях подверженных разного рода напряжениям, источником которых может являться множество причин - сама технология нанесения покрытий, механическое силовое воздействие (например закручивание гаек и болтов прижимающих поверхность с оловянным покрытием), формовка ножек деталей, царапины, термоперепады и т.д.

Как не трудно догадаться, внезапно вырастающие металлические "усы" на электронных контактах - не самое желательное явление. Они могут приводить к различным проблемам. Самое очевидное - замыкание соседних контактов. В случае если протекающий ток через выросший кристалл меньше ~10мА, замыкание остается постоянным. Такие токи свойственны для сигнальных линий. Если ток больше ~10мА, то кристалл плавится и замыкание получается временным, что однако тоже может приводить к проблемам. В силовой технике появление такого кристалла может привести к возникновению дуги, которая может уничтожить оборудование. Кроме того Подобные кристаллы могут приводить к чисто механическим проблемам в микроскопических механизмах, например МЭМС. В добавок проблемы могут появится в оптических устройствах, которые кристаллы могут просто загрязнить.

На фото - реле, предположительно уничтоженное электрической дугой появившейся в результате вырастания кристалла:

А вот и собрат виновника крупным планом в аналогичном реле:

В одной из статей мне попался список случаев выхода техники из строя из-за появления "усов".

-Семнадцатого апреля 2005 года атомная станция Миллстоун в штате Коннектикут прекратила работу по причине короткого замыкания в линии нагнетания пара.

-В 2006 году огромная партия часов Свотч, изготовленных давшей им имя швейцарской фирмой, была изъята из продажи при расчетной стоимости в млрд (500 млн фунтов). В обоих случаях усы олова — микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате — были объявлены причиной возникновения этих проблем.

-В 1998 году спутник связи Галактика IV вышел из строя всего лишь через пять лет после запуска, и инженеры диагностировали, что его отказ обусловлен усами.

-Американские военные обвиняли эти усы в нарушениях работы систем РЛС F-15 и в сбое траекторий наведения ракет типа Феникс и Патриот.

-В 1986 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США изъяло целый ряд продуктов лидирующих изготовителей по причине тех же самых усов.

Проблема возникновения "усов" не актуальна для свинцовых припоев, которые до недавних пор использовались в подавляющем большинстве случаев и много где используются до сих пор. Однако, в последнее время большинство потребительской техники из соображений защиты окружающей среды (в основном стараниями Европы) собирается с использованием бессвинцовых припоев (в большинстве своем они состоят на > 90% из олова). Эти припои являются головной болью для разработчиков, т.к. даже без "усов" они обладают худшими свойствами, по сравнению со свинцовыми припоями. В первую очередь их температура плавления существенно выше, что приводит к сложностям при пайке и изготовлении деталей, выдерживающих такие температуры. Кроме того они более хрупкие, что приводит к выходу техники из строя, а смачивают контактные поверхности при пайке хуже В связи с этим в ответственной технике, космической, военной, медицинской до сих пор используют свинцовые припои.

Примеры образования "усов":

На контактах SMD конденсатора типоразмера 0805. Конденсатор не был припаян, а был приклеен на токопроводящий клей. Усы выросли после тестирования термоциклированием, однако после этого в течение 6-8 месяцев они выросли еще примерно в два раза уже при комнатной температуре.

На металлической основе переменного воздушного конденсатора:

На штырьках для подключения проводов методом навивки (кстати, считается одним из самых надежных способов подключения проводов и используется в т.ч. в космической технике). Длина усов достаточна для замыкания соседних штырьков.

В разъеме D-SUB, которые до сих пор используются в обычных компьютерах для подключения мониторов, а еще недавно были почти в каждом компьютере в виде COM и LPT портов.

В USB разъемах:

На ножках деталей:

Крупным планом с помощью электронного микроскопа:

...

Крышках трансформаторов. Изначально производитель делал покрытие этих крышек из оловяно-свинцового сплава, однако, потом из-за международных требований и директивы RoHS перешел к чистому олову, без изменения названия детали и каких либо опвещений потребителей. Однако, один из покупателей заметил изменение внешнего вида крышек и более подробно их исследовал:

....

Направляющие для крепления плат в оборудовании. Видно, что иногда кристаллы могут вырастать до впечатляющих длин и замкнуть вывод детали на плате с креплением.

Клемма для подсоединения к контактным пластинам:

Внутри переменных резисторов. Кстати, подобный случай, похоже, один раз я лично видел на своем приборе. В какой-то момент у меня иногда начали глючить энкодеры на панели управления осциллографом. После разборки и очень долгого изучения проблемы(она проявлялась не постоянно), я все-таки выяснил, что в одном из энкодеров один из контактов иногда замыкался на корпус, а схема и принцип опроса энкодеров были такими, что это приводило к глюкам всех энкодеров сразу. В итоге я выпаял и разобрал тот энкодер, однако был сильно удивлен - от контакта до корпуса внутри везде было большое расстояние - тогда я так и не понял, как там могло получиться замыкание, решил что оно было из-за пыли и налета на пластике. После протирки спиртом всех деталей и сборки обратно все заработало идеально и работает по сей день. Сейчас я почти на 100% уверен, что причина была в подобном кристалле.

Еще один потенциометр:

Вырастающие кристаллы намного тоньше человеческого волоса и глазами их можно и не увидеть, даже если внимательно рассматривать плату. Не удивительно, что после "пропайки" внешне нормальных контактных площадок на печатной плате, неисправность иногда устраняется - думаю многие с этим сталкивались и, вероятно, в ряде случаев причиной неисправности были как раз оловянные "усы", а вовсе не плохой контакт пайки, как можно было бы подумать.

На мой взгляд, этот эффект в очередной раз показывает, насколько сложна в разработке техника, особенно если речь идет о сложных приборах и механизмах. Насколько сложно сделать, например, космический аппарат, который должен работать много лет без сбоев в космосе, в совершенно диких условиях. Насколько сложно учесть все нюансы, все эффекты и предусмотреть все.

Источники информации:
-Статья на сайте NASA: https://nepp.nasa.gov/WHISKER/background/
-Огромная коллекция фотографий с описаниями и ссылками там же: https://nepp.nasa.gov/WHISKER/photos/index.html (все фотографии в посте взяты отсюда).
-Небольшая статья на русском языке: http://www.tech-e.ru/2008_3_40.php
-И еще одна: http://al-tm.ru/stati/stati-po-mat.-obespecheniyu/.-.
-Варианты перевода термина whisker на русский: http://www.multitran.ru/c/m.exe?CL=1&s= whisker&l1=1

найдено тут http://alex-avr2.livejournal.com/211190.html

А я ведь видел подобное дерьмо, на контактах реле, но списал на окисление

Бессвинцовые припои - короче зло по любому! Либо отваливается вся элементная база к херам либо волосы растут. Короче это специально пролоббировали что бы техника чаще ломалась!

Это сообщение отредактировал КотянСутулыч - 16.11.2016 - 11:02

Волосатое олово?
Надо свою технику глянуть...

Фиксики совсем обленились, я смотрю, за порядком не следят, бггг :)

По сабжу - интересно, не знал о таком. Спасибо за познавательный материал.

Блин, придется всю технику разбирать, прочищать парами спирта и собирать обратно. Где ж столько спирта взять, я уж про печень молчу

Вот ведь как, век живи - век учись!

Надеюсь в авиации применяются припои со свинцом?

Блин,занятная штука,даж не думал,интересно а если покрывать спец лаком поверхности? это что,теперь при покупке электроники надо узнавать каким на каком припое сделан монтаж? то то же консультанты из магазов будут рады ,теперь дома дербанить всю электронику и зачищать места монтажа? правда спутников дома нету)