Что такое усы при пайке

Причина отказа — «усы» олова. Практика ремонта.

Причина отказа — «усы» олова. Практика ремонта.

Современные технологии изготовления различного вида печатных плат и безсвинцовые технологии пайки не только экологичны и эффективны, но они (в определенных условиях) порождают ряд явлений, приводящих к отказам. «Усы» олова — это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате, являются причиной возникновения отказов электронных схем из-за замыканий между контактами и проводниками. Общеизвестен факт, что отрицательное воздействие внешней среды непосредственно сказывается на показателях надежности печатных узлов и сборок выполненных по современным технологиям.

Достаточно часто, в разговорах со специалистами по ремонту персональных компьютеров, можно услышать: «пропаял контакты микросхем, разъемов неисправной платы и она заработала, неисправность исчезла». Обычно такое «волшебство» пропайки объясняют плохим качеством паяного соединения, но действительно ли это так? Есть и более реальное объяснение. До недавнего времени при пайке использовали свинец и сплавы на его основе, которые имеют низкую температуру плавления, но к сожалению, сви­нец является токсичным металлом. Из экологических соображений содержащие свинец припои активно вытесня­ются с рынка постановлениями исполнительной вла­сти ЕС, которые оказывают сильное давление на производи­телей. Широко применяющиеся оловянно-свинцовые припои, состоящие из свинца и олова в приблизи­тельной пропорции 40% свинца и 60% олова, обла­дают хорошей эвтектикой, но несмотря на это мы должны иметь в виду, что, нравится нам это или нет, мы уже сталкиваемся с необходимостью паять безсвинцовыми сплавами. Евросоюз принял директиву 2002/95/ЕС RoHS (Restriction of Hazardous Substances – запрет вредных веществ). Согласно этому документу, с 1 июля 2006 года начали действовать ограничения на использование в промышленной электронной продукции и в новой электронной технике некоторых химических материалов, опасных для здоровья и окружающей среды. Среди прочих, действие директивы распространяется и на соединения свинца. Таким образом, запрещается использование свинцовосодержащих припоев.

При ра­боте с безсвинцовыми припоями возникает ряд проблем, которые связаны с физическими их свойствами. Поэтому паяльные станции должны быть специально адаптированы для работы с новыми припоями. Рассмотрим основные проблемы, которые могут возникнуть при пайке безсвинцовыми припоями:

— более высокая температура плавления пайки мо­жет повредить электронные компоненты, содержащие пластмассу, могут получить термический «шок» и сами компоненты;

— может возникнуть деформация печатных плат;

— будет наблюдаться слабая увлажненность и растекание в связи с возрастающим эффектом окисления поверхности;

— появится необходимость использования более активных (и коррозийных) флюсов;

— возможно появление перемычек и замыканий;

— вследствие более высокой температуры пайки будет наблюдаться сильное разбрызгивание флюса;

— увеличится время создания качественной пай­ки (контакта);

— вид паяного контакта будет более тусклым;

— снизится ресурс нормальной работы паяльных головок;

— потребуется изменить стиль работы монтажников.

Итак, возможно появление перемычек и замыканий сильное разбрызгивание флюса. Перемычки и замыкания возникают в виде «усов» олова (это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате). Эти таинственные проростки бы­ли виноваты в серьезнейших отказах электроники (рис. 1).

В США исполь­зование припоя без свинца не сделано обязатель­ным , но государство предлагает за это налоговые льготы. Но олово без укрощающего его свинца ведет себя непредсказуемо. Оловянное покрытие без добавок, как и кадмий и цинк, спонтанно образует кристал­ лы металла диаметром около 1-5 мкм и менее одной десятой толщины человеческого волоса, которые про­талкиваются от основания вверх . Если они растут до­статочно близко для того, чтобы прикоснуться к дру­гому токопроводящему объекту, то вызовут корот­кое замыкание, которое может повредить аппаратуру.

Меха­низм образования «усов» теперь стал достаточно понятным — это происходит за счет напряжения сжатия, обусловленного, скажем, диффузией меди в олово. При встраивании в слой олова медь проби­вается через барьерный слой оксида олова. Критики ссылаются на сообщения о том, что компоненты припоя, такие как олово, олово-цинк, олово-серебро-медь, просто не способны заменить свинец в припое по надежности, укрывистости (смачиваемо­сти контактных площадок) и стоимости. Поэтому военная, военно-морская, медицинская и исследовательская аппаратура освобождены от того, что считается не заслуживающим доверия. Кроме того отдельные отрасли науки и техники еще используют олово-свинец так как он работает лучше. Идет разговор о возмож­ности компромиссов «по стоимости, материалам, прочности припоя и пр.» во время предписанного перехода, а также то, что изготовите­ли должны приобрести «базовый опыт» использования новых тех­нологий.

Какие же меры и технологии могут устранить образование «усов»?

Применение матового финишного покрытия, устранение загряз­нителей из припоя и с поверхностей, снижение механических на­пряжений в паяемых компонентах — все это ослабляет рост «усов». Однако ряд специалистов в области пайки и печатных плат, за­явили, что «никакое определенное решение этой проблемы» не най­дено до сих пор. Национальный Центр по изготовлению высококачественной элек­троники, финансируемый ВМФ США, установил, что термостабили­зация паяных соединений и их хранение позволяет уменьшать обра­зование «усов», но все же его специалисты рекомендуют «применение свинца вопреки будущей производственной практике».

Что способствует появлению «усов»? Оказывается, что они могут расти при температуре и влажности окружающей сре­ды или в вакууме, а также при постоянных или изменяющихся тем­пературах (хотя варьирование температуры может способствовать их росту). Кончики «усов» соразмерны атому. За достаточное время они про­толкнутся через любое покрытие. Они являются преобладающей при­чиной (лишь недавно обнаруженной) многих отказов аппаратуры в прошлом. Один «усик» может пропускать около 30 мА — что более чем достаточно для повреждения цифровых схем.

Припой серебро-олово-медь (SAC) замедляет, но не прекращает рост «усов». Но припой SAC оказывает на окружающую среду большее вли­яние, чем вариант олово-свинец (известный припой — 37% свинца, 63% олова — в отличие от SAC только деформируется, что снижает механические на­пряжения, а значит, сводит к минимуму образование «усов»).

Свыше 80% от всех радиоэлектронных компонентов производится в Азии, но технические требования к ним разрабатываются в фирмах — обладателях торговой марки продукции. Проверка десяти из­готовителей по вопросу проблемы образо­вания «усов» показала, что только один человек из лиц, ответственных за тех­ническое обеспечение в этих фирмах, ничего не знал об этом. И только компания Apple открыто заявила, что с 2004 года они без проблем используют припои, не содержа­щие свинец. Видимо, производственники не имеют еще достаточной базы или, может быть, отказ техники из-за наличия «усов» не регис­трируется в качестве проблемы. Многие потребители, вероятно, от­несут дефектные устройства на счет своего собственного невезения, когда в реальности причиной могут быть микроскопические «усики» внутри их машин.

В общем и целом, было ли разумно отказываться от свинца? Некоторые специалисты говоря — нет, более ранний моральный износ вле­чет за собой и больше отбракованных изделий. Критики утверждают, что заменители свинца более токсичны и энергоемки, чем свинец, и что свинец не выщелачивается из схемных плат, так как он не мигрирует подобно свинцу, содержащемуся в краске или бензине. Ряд крупных компаний после своих дорогостоящих возвратов добились постоянного освобождения от необходимости соблюдать директи­ву RoHS для изделий, идущих на экспорт в страны ЕС.

Вероятно, скоро появятся надежные технологии, свободные от свин­ца, хотя специалисты в этом сомневаются. Говорят, что такие компа­нии, как IBM и National Instruments, сейчас уже имеют технологии, со­ответствующие требованиям RoHS даже для освобожденных от них изделий.

Такие компа­нии, как IBM и National Instruments, уже сейчас имеют технологии, со­ответствующие требованиям RoHS, но для многих фирм проблема «усов» пока остается открытой.

Как же избежать дефектов при ручной пайке компонентов, выполненных по бессвинцовой технологии? В самое ближайшее время крупные фирмы-производители интегральных микросхем — Texas Instruments, AMD, Fairchild Semiconductor, Philips и многие другие планируют полностью перейти на бессвинцовые технологии. Так же поступят и производители дискретных полупроводников и пассивных компонентов (ON Semiconductors, Vishay, Samsung Electr-Mechanic). Компоненты, выполненные по традиционной технологии, будут доступны только под заказ. В связи с этим, использование компонентов, не содержащих свинца во всей выпускаемой продукции – это вопрос ближайшего времени для всех производителей электроники. В обозримом будущем данная проблема рано или поздно коснется и всех остальных. Существует мнение о том, что компоненты, не содержащие свинца, требуют особых технологий ручной пайки. Такая точка зрения распространена и среди разработчиков, производителей электронной техники и специалистов, занимающихся ремонтом. Все ведущие производители единодушны в том, что большинство Pb-free компонентов полностью совместимы со стандартными технологиями ручной пайки оловянно-свинцовыми припоями. Совместимость с требованиями RoHS, так же как и знак «Pb-free» не означают, что элемент необходимо паять обязательно бессвинцовым припоем. Но в процессе пайки необходимо предотвратить термодиструкцию электронных компонентов (эта неприятность может возникнуть потому, что большинство из «Pb-free» припоев имеют повышенную температуру плавления, которая несовместима с максимальной температурой пайки выбранных компонентов). Специалисты по технологиям пайки и паяльному оборудования утверждают, что если выполнять ряд рекомендаций для ручной пайки (см. далее), то качество пайки и компоненты электронных схем не пострадают. Для ручной пайке, необходимо выбирать паяльные станции, обладающие достаточным запасом мощности, термостабильностью и возможностью поддержания постоянной температуры при работе на более высоких уровнях, необходимых для бессвинцовых материалов. Так как температура плавления бессвинцового припоя выше, чем у свинцовосодержащего, температура жала должна быть примерно 343°C (свинцовый припой требовал 315°C). В таком режиме долговечность традиционных паяльных жал резко снижается и поэтому, в процессе пайки, необходимо использовать насадки, разработанные специально под «Pb-free» пайку. Современные паяльные станции обеспечивают приведенные выше требования, но при работе с бессвинцовыми припоями, для соблюдения необходимых температурных профилей некоторых компонентов, имеет смысл быстрее убирать жало пальника с места пайки. Смачиваемось у бессвинцовых материалов хуже, чем у свинцовосодержащих. Кроме того, у них хуже окисляемость во время пайки, наблюдается образование кристаллических нитей и пр.. Известно, что чем меньше окислов, тем легче идет процесс пайки, поэтому часто используют пайку в среде азота или используют специальные флюсы. Азот, будучи инертным газом, предохраняет от окисляемости нагреваемые при пайке металлические поверхности. В этом случае требования к флюсу не категоричны, смачиваемость повышается, с припоями легче работать, качество соединений повышается. При ручной пайке в условиях несерийного производства задачу снятия окислов и обеспечения растекаемости припоя, в не меньшей степени выполняет флюс. Это серьезная альтернатива пайке в азотной среде. В процессе пайки необходимо следить за состоянием жала паяльной станции во избежание его окисления. Если применяется «Pb-free» припой, следует более тщательно очищать его и, постоянно держать его полностью покрытым припоем. При работе с «Pb-free» компонентами, их монтаже-демонтаже, на плате смешанного типа необходимо тщательно очищать посадочные места компонентов, во избежание смешивания припоев «Pb-free» и традиционных, так как несоблюдение этой рекомендации, в случае смешивания припоев образуется «холодная» пайка. Становится более актуальным использование оловоотсосов, оплетки для удаления припоев и пр. Так же, следуя вышеприведенному пункту, следует использовать разные жала для пайки «Pb-free» и свинцовосодержащими припоями. С микросхемами в корпусах BGA работа идет сложнее, но ситуацию «спасают» изделия компании «ERSA» выпускающей модернизированные инфракрасные паяльные центры IR550plus. При работе с припоями «Pb-free» и микросхемами BGA, достоинства паяльных центров IR550plus неоспоримы. Они обладают непревзойденная равномерностью локального инфракрасного нагрева, что обеспечивает точную и безопасную (для чувствительных компонентов) отработку термопрофиля. Паяльные центры обеспечивают возможность визуального мониторинга процесса пайки (дополнительная опция – видеосистема PL550A). Система IR550plus универсальна и самодостаточна, она обеспечивает надежную и безопасную работу со сложнопрофильными компонентами.

Источник статьи: http://al-tm.ru/stati/stati-po-mat.-obespecheniyu/prichina-otkaza-%C2%ABusyi%C2%BB-olova.-praktika-remonta

«Усы» олова

Курт Якобсен

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.

Не в первый раз эти таинственные проростки были виноваты в отказах электроники.

В 1998 году спутник связи «Галактика IV» заглох 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».

На самом деле они были известны уже с 1940-х гг. и наблюдались также в случаях с кадмием и цинком: во время Второй мировой войны аналогичные «усы» приводили к короткому замыканию настроечных кадмиевых конденсаторов, применяемых в авиационных радиостанциях. Десятью годами позже было установлено, что реле на основе олова в телефонных коммутаторах фирмы AT&T являются причиной коротких замыканий.

Продвижение олова

Как решить проблему образования «усов»?

Вводить свинец в припой, как это делалось начиная с 1950-х гг. Колин Хьюз, физик, работавший над созданием первой британской атомной бомбы, сказал, что за время его работы проблема образования «усов» никогда не поднималась. Но теперь свинец ушел на законных основаниях, и «усы» вновь стали появляться, создавая потенциальные проблемы для всех нас.

Согласно «Директиве RoHS о снижении уровня содержания опасных веществ» 2003 года, в странах ЕС было запрещено использовать свинец в составе припоя, начиная с 2006 года, что давало изготовителям три года на отказ от применения свинца.

Логика такого решения казалась разумной. Исключение свинца из состава бензина, где он использовался для предупреждения нарушений циклов работы двигателя внутреннего сгорания, принесло явные преимущества с точки зрения экологии и здравоохранения: в атмосферу не стало выбрасываться вредное химическое вещество, которое могло влиять на интеллектуальные способности человека. Удаление свинца из припоя, а сплав из 37% свинца и 63% олова применялся для соединения металлических деталей повсюду — от паяльных работ до схемных плат, — было следующим очевидным шагом, препятствующим его вымыванию в грунтовые воды из объектов на мусорных свалках.

Между тем США и Япония тоже двигались по направлению к припоям, не содержащим свинец. Это значительный сдвиг: по оценке Агентства по защите окружающей среды США в 2002 году во всем мире использовалось 80 млн кг свинцового припоя. Экологические организации одобряли такое решение ведущих стран. «В США мы проживем без содержащих свинец припоев в течение многих лет,— считает Рик Хайнд, директор по законодательным вопросам кампании «Гринпис» по токсичности отходов. — От меньшего воздействия свинца мы все получим пользу, став умнее и изготавливая более безопасные и надежные изделия». (В США использование припоя без свинца не сделано обязательным, но государство предлагает за это налоговые льготы.)

Но олово без укрощающего его свинца ведет себя непредсказуемо. Оловянное покрытие без добавок, как и кадмий и цинк, спонтанно образует кристаллы металла диаметром около 1–5 мкм и менее одной десятой толщины человеческого волоса, которые проталкиваются от основания вверх. Если они растут достаточно близко для того, чтобы прикоснуться к другому токопроводящему объекту, то вызовут короткое замыкание, которое может повредить аппаратуру.

Причина становится яснее. «Я полагаю, что механизм образования «усов» теперь стал понятным — это происходит за счет напряжения сжатия, обусловленного, скажем, диффузией меди в олово. При встраивании в слой олова медь пробивается через барьерный слой оксида олова», — утверждает Стив Джонс из компании «Сиркатекс» в Саут Шилдс, Англия.

Критики ссылаются на сообщения о том, что компоненты припоя, такие как олово, олово-цинк, олово-серебро-медь, просто не способны заменить свинец в припое по надежности, укрывистости (смачиваемости контактных площадок) и стоимости. Поэтому военная, военно-морская, медицинская и исследовательская аппаратура освобождены от того, что считается не заслуживающим доверия.

«Я все еще использую олово-свинец— он работает лучше», — заявляет Джон Кеттерсон, физик в области твердого тела, работающий в университете Нортвестерн в штате Иллинойс. Он отмечает возможности компромиссов «по стоимости, материалам, прочности припоя и пр.» во время предписанного перехода, а также то, что изготовители должны приобрести «базовый опыт» использования новых технологий.

Двойные стандарты

Это означает, что незнающий потребитель несет тяжесть экспериментальных расходов. «Так, НАСА не желает понести экономический ущерб, связанный с возможной утратой космического телескопа «Хаббл». Но при выходе из строя из-за образования «усов» всего лишь одного из тысячи персональных компьютеров никто не сможет этому воспрепятствовать», — говорит Кеттерсон.

Один из тысячи компьютеров, возможно, является слишком заниженной оценкой.

Помимо образования «усов», не содержащий свинца припой к тому же более хрупок. Припои-заменители также могут быть нанесены слишком тонким слоем, при недостаточной или при слишком высокой температуре (заменители свинца имеют более высокие точки плавления), что создает механические напряжения в слоистой структуре печатной платы.

Вопрос состоит в том, воздействуют ли «усы» олова на изделия, применяемые в настоящее время? Могло бы это стать причиной выхода из строя вашего компьютера? Конечно, некоторые специалисты по вычислительной технике знают об этом: представители фирм Sun Microsystems и IBM были участниками семинара по оловянным «усам» в 2006 году.

Применение матового финишного покрытия, устранение загрязнителей из припоя и с поверхностей, снижение механических напряжений в паяемых компонентах — все это ослабляет рост «усов». Однако Билл Уиллис, оппонент директивы ЕС и технический директор группы SMART (Surface Mount and Related Technology — поверхностный монтаж и связанная с ним техника) в Великобритании заявил, что «никакое определенное решение этой проблемы» не найдено до сих пор.

Свыше 80% от всех радиоэлектронных компонентов производится в Азии, но технические требования к ним разрабатываются в фирмах — обладателях торговой марки продукции. Автор обзвонил восемь изготовителей с вопросом, сталкиваются ли они с проблемами образования «усов» и т. п. Только один человек из лиц, ответственных за техническое обеспечение, ничего не знал об этом.

Компания Apple была единственной, чей представитель ответил, что здесь «с 2004 года без проблем используют припои, не содержащие свинец». Видимо, производственники не имеют еще достаточной базы или, может быть, отказ техники из-за наличия «усов» не регистрируется в качестве проблемы. Многие потребители, вероятно, отнесут дефектные устройства на счет своего собственного невезения, когда в реальности причиной могут быть микроскопические «усики» внутри их машин.

Усвоенные уроки

В общем и целом, было ли разумно отказываться от свинца? «Я бы сказал нет», — говорит Уиллис. Более ранний моральный износ влечет за собой и больше отбракованных изделий. Критики утверждают, что заменители свинца более токсичны и энергоемки, чем свинец, и что свинец не выщелачивается из схемных плат, так как он не мигрирует подобно свинцу, содержащемуся в краске или бензине.

Национальный Центр по изготовлению высококачественной электроники, финансируемый ВМФ США, установил, что термостабилизация паяных соединений и их хранение позволяет уменьшать образование «усов», но все же его специалисты рекомендуют «применение свинца вопреки будущей производственной практике».

И компания «Свотч» после своих дорогостоящих возвратов выиграла постоянное освобождение от необходимости соблюдать директиву RoHS для изделий, идущих на экспорт в страны ЕС.

Вероятно, скоро появятся надежные технологии, свободные от свинца, хотя специалисты в этом сомневаются. Говорят, что такие компании, как IBM и National Instruments, сейчас уже имеют технологии, соответствующие требованиям RoHS даже для освобожденных от них изделий. Но эта дискуссия специалистов выглядит так, как будто бы она остается открытой. До сих пор последним надежным источником информации по этой проблеме являются изготовители.

«Усы» олова: появляются ли они на ПП непосредственно у вас?

Они могут расти при температуре и влажности окружающей среды или в вакууме, а также при постоянных или изменяющихся температурах (хотя варьирование температуры может способствовать их росту).

Кончики «усов» соразмерны атому. За достаточное время они протолкнутся через любое покрытие. Они являются преобладающей причиной (лишь недавно обнаруженной) многих отказов аппаратуры в прошлом. Один «усик» может пропускать около 30 мА — что более чем достаточно для повреждения цифровых схем.

Припой серебро-олово-медь (SAC) замедляет, но не прекращает рост «усов». Но припой SAC оказывает на окружающую среду большее влияние, чем вариант олово-свинец. Известный припой — 37% свинца, 63% олова — только деформируется, что снижает механические напряжения, а значит, сводит к минимуму образование «усов».

Источник статьи: http://tech-e.ru/2008_3_40.php