Оловянные нитевидные кристаллы в электронной технике

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