Представьте себе, что внутри ваших приборов поселились монстры с тентаклями, которым нравится коротить схемы и сжигать компоненты. Представили? Это не выдумка, они уже здесь — это бессвинцовое оловянное покрытие.
Как? Чистое олово способно выпускать щупальца – их называют «оловянные усы» или «вискеры». Тонкие до невидимости — 1-10 мкм, и длинные — до 10 мм, они стремительно вырастают из любого участка с чистым оловом, будь то покрытие компонентов или лужение на плате. А затем, ориентируемые электрическим полем, они жадно присасываются к соседним проводникам, вызывая замыкания, которые провоцируют то необъяснимые неполадки, то фатальные поломки. В низкоточной цепи они могут годами изводить вас глюками неизвестной природы, то отрастая, то оплавляясь. Если же мощности достаточно – при замыкании усик превращается в плазму, вызывающую каскад отказов. Неприятно уронить сигарету и прожечь брюки, но более досадно уронить ее на промасленную ветошь на складе с горючим).
Почему это происходит? Достоверно установлено, что при 13,2°C олово вдруг решает сменить свою тетрагональную β-фазу на кубическую α-фазу, разрушая макроскопическую структуру вплоть до состояния мелкого порошка. Скорость процесса стремительно растет с понижением температуры, причем кубическая фаза, контактируя даже при более высокой температуре с нормальным оловом, вызывает в нем превращение. Процесс сопровождается разрастанием по поверхности металла усыхающих язв, почему явление и получило название оловянной чумы.
Известная с глубокой древности, чума была описана еще Аристотелем. Согласно историческим байкам, она явилась одной из причин поражения Наполеоновской армии в России. Будто бы на морозе пуговицы, ложки, кружки превратились в серый порошок. Доказанным считается, что ненадёжность оловянной пайки стала одной из причин неудачи экспедиции Роберта Скотта на Южный полюс. В письме, написанном в солнечном -70-градусном марте 1912 года, Скотт обращается к своей вдове: » …Я думаю, что шансов нет. Мы решили не убивать себя, и бороться до конца, чтобы добраться до лагеря. Смерть в борьбе безболезненна, так что не волнуйся за меня.»
Зараза не искоренена и поныне, возникая повсеместно с коварной непредсказуемостью. Как сварливая жена, аллотропия олова может превратить спокойную жизнь в катастрофу в одно мгновение по самому невообразимому поводу. Тут не только понижение температуры, но и контакт с катализаторами, в числе которых соединения ртути, диффундировавшие ионы меди и даже собственная оксидная пленка, а еще ионизирующее излучение, вибрация, влажность. Невозможно предсказать, когда объявится проблема, документированы случаи замыканий и через 5 дней, и через 5 лет. Вот так, творя «добро» чужими руками, евробюрократы по локоть обагрили в крови свои собственные.
Едва ли можно посчитать, сколько зависаний, спонтанных перезагрузок и потерь данных было вызвано одними только кратковременными замыканиями, но даже на бытовой технике и персональных компьютерах оловянные усы являются основным поставщиком неполадок. Божьей милостью, в России, несмотря на холод, зараза приживается плохо, а вот на ее родине сполна хлебнули из кубка благих намерений. Так, например, в 2006 году компания SWATCH понесла неразглашаемые убытки, будучи вынуждена отозвать у дилеров партии часов общей стоимостью $1 млрд! И ущерб не ограничивается деньгами:
• с 1975 по 1989 количество сбоев в КАРДИОСТИМУЛЯТОРАХ, вызванных усами, непрерывно росло, пока этим наконец не озаботились регулирующие органы, но проблема полностью не разрешилась ДО СИХ ПОР
• отказы на атомных станциях: АЭС Дрездена, АЭС Саус-Тексас, АЭС Миллстоун
• отключения спутников коммуникации: PAS-4, DirecTV 3, SOLIDARIDAD, GALAXY IV
• ошибки наведения ракет Феникс и Пэтриот – действительно, пятисоткилограммовая ракета на перхлоратном топливе, это же так экологично, зачем портить ее свинцовым припоем
И это только самые вопиющие случаи из тех, что повлекли расследования и просочились в открытый доступ.
Проблема, как описано, серьезная. Не просто серьезная – пугающая. И если чем паять, иногда мы все же выбираем сами, то купить некоторые компоненты не в бессвинцовом исполнении невозможно.
Пришло время поговорить о борьбе с проблемой.
Сразу оговоримся – если бы существовал гарантированный метод, чтобы раз и навсегда остановить рост оловянных усов, то мы бы, наверное, уже и о прокрастинации забыли. Увы, пока что нет волшебной палочки, способной одним махом решить эту проблему. Но, как говорил мастер цеха, «Лучше пытаться, чем смотреть, как оно само ломается».
Итак, краткий перечень мер против этой микроскопической, но очень неприятной проблемы:
1. Нанесение защитных покрытий: попытка «закопать» проблему. Самый интуитивно понятный вариант – попытаться запечатать олово, лишив усы простора для маневра. Подобно тому, как мы пытаемся сдержать борщевик, накрывая землю пленкой, здесь инженеры используют специальные покрытия. Казалось бы, в чем может быть проблема.
Во-первых, оловянные усы имеют АТОМАРНЫЕ кончики и способны проникнуть через любое покрытие. Во-вторых, неправильно подобранное, оно может само стать причиной повреждений при термоциклировании. Из-за разницы коэффициентов теплового расширения покрытие может растрескаться и усугубить проблему. Как говорится, «семь раз отмерь, один раз приклей». Помните, что выбор покрытия – это как выбор спутника жизни: ошибка может стоить вам не только нервов, но и денег.
2. Устранение загрязнений: гигиена пайки. Это даже не мера, а необходимое условие. Чистота – залог здоровья, и это касается не только посуды. Остатки флюса, пыль, жир, отпечатки пальцев и прочие загрязнения на поверхности могут служить своеобразным «питательным бульоном» для роста усов. Поэтому, тщательная очистка поверхности перед пайкой – это не прихоть перфекциониста, а насущная необходимость. Использование специальных моющих растворов, щеток и ультразвуковых ванн помогает обеспечить должную чистоту. Но, как показывает практика, даже самая стерильная «операционная» для плат не гарантирует полного отсутствия усов. «Вот вымыл я плату, как кота в детстве, а усы всё равно растут», – как-то жаловался один из клиентов.
3. Снижение механических напряжений: «Relax, dont do it». Механическое воздействие регулярно выступает в качестве триггера, стимулируя рост усов. Как вибрация, так и разница в расширении материалов создают внутренние напряжения, которые могут привести к деформации и поломке паяных соединений, а в нашем случае еще и к росту нежелательных «усов».
Чтобы этого избежать, инженеры стараются минимизировать деформации: как подбором материалов, которые имеют максимально схожие коэффициенты теплового расширения, так и за счет оптимизации разводки. Идеально – добиться такого состояния, когда плата и компоненты чувствуют себя как лучшие друзья в гамаке: им комфортно и спокойно, нет никакого напряжения, но это, к сожалению, далеко не всегда возможно, особенно при пайке разнопо… разнородных материалов.
4. Путь наименьшего сопротивления — использование специальных припоев. Наконец, мы подошли к самому простому и, по мнению большинства специалистов, самому эффективному методу. Очевидно, что не все припои одинаково полезны в борьбе с оловянными усами. И здесь на сцену выходит тот, кому суждено было стать героем этой статьи… Да, тот самый SAC (олово-серебро-медь) – припой с содержанием серебра и меди, с долей серебра в распространенных рецептурах от 0,3 до 4%, из которых оптимальным по сочетаниям свойств и цены является SAC305 c долей серебра 3%. Именно этот, на первый взгляд, скромный процент, как утверждают инженеры и материаловеды, является тем самым серебряным мечом, который способен эффективно отсечь усы у чудовища.
С точки зрения кристаллографии, добавление серебра в сплав олова и меди стабилизирует структуру кристаллической решетки. Как мы рассматривали в прошлой статье, чистое олово имеет тетрагональную решетку, которая склонна к образованию дефектов и миграции атомов, что, в свою очередь, инициирует рост нитевидных кристаллов. В SAC припоях серебро препятствует аллотропическим преобразованиям, запирая вакансии и междоузлия, которые являются основными проводниками для миграции атомов олова.
С точки зрения же квантовой химии, добавление серебра меняет электронную структуру сплава, а именно, плотность электронных состояний на поверхности, снижая термодинамическую вероятность образования усов, а также способствуя образованию более прочной и менее подверженной деформациям межфазной границы между припоем и контактной площадкой.
Кроме того, можно предположить, что добавление серебра гомогенизирует поверхностную энергию припоя, что также может нивелировать процесс нуклеации и роста оловянных усов. В конечном итоге, формирование стабильного паяного соединения, имеющего низкую поверхностную энергию и небольшое количество дефектов в кристаллической решетке, снижает склонность материала к росту нежелательных образований, не только усов, но и трещине, и поликристаллических включений.
Но дело не только в анти-усатых свойствах. Многие производители уже давно взяли на вооружение семейство SAC еще потому, что серебросодержащие припои обеспечивают ряд приятных дополнений:
• Хорошая растекаемость: равномерное покрытие – залог успеха. Серебро, добавленное в сплав, значительно улучшает смачивающие свойства, позволяя припою равномерно растекаться по поверхности и образовывать надежное и прочное соединение. Как говорят паяльщики — «Припой должен растекаться, как слухи по деревне».
• Высокая прочность и устойчивость к термоциклированию: надежность – наше всё. Соединения, выполненные припоем SAC, обладают более высокой механической прочностью и значительно большей устойчивостью к перепадам температуры. Ведь именно цикличные перепады являются главной причиной «усталости» паяных соединений, приводящей к их разрушению.
• Снижение образования дроссов: меньше отходов, чище работа. Добавление серебра в состав припоя способствует минимизации образования оксидов, что, в свою очередь, приводит к снижению выхода шлака в случае волновой пайки и общему повышению качества пайки.
• Нетоксичность (относительно других бессвинцовых): безопасность прежде всего. Несмотря на то, что бессвинцовые припои всё ещё вызывают споры, особенно в контексте их влияния на здоровье и окружающую среду, SAC материалы по сравнению с другими бессвинцовыми составами, являются относительно нетоксичными.
В итоге, применение серебросодержащих припоев – это, без преувеличения, лечение не только симптома, но и самой болезни, а также улучшения механических и электрических характеристик.
Висмутовые припои: почему они не так хороши, как кажется?
В контексте бессвинцовых припоев, часто упоминаются сплавы с добавлением висмута. Висмут, действительно, может снизить потребность в свинце, обеспечив, вдобавок, более низкую температуру пайки. Однако, у этих сплавов есть существенные недостатки:
• Хрупкость: висмутовые припои, как правило, более хрупкие по сравнению с прочими. Это особенно критично для устройств, работающих в условиях повышенных нагрузок.
• Проблемы со смачиванием: висмут ухудшает смачивание контактов, что приводит к образованию ненадежных паяных соединений.
• Взаимодействие со свинцом (и другими металлами): присутствие висмута в паяльной пасте может вызвать нежелательные реакции со свинцом (если он присутствует в покрытиях компонентов), что приведет к плохому качеству пайки и даже расслоению соединения под воздействием высоких температур. Это создает серьезные проблемы при использовании смешанной технологии, когда бессвинцовые припои применяются на компонентах со свинцовыми выводами, чего, увы, не всегда можно избежать. Кроме того, со многими металлами висмут образует термопару. А идея навпаивать термопар в случайных местах схемы редко кому покажется привлекательной.
Цена спокойствия: почему SAC – это не роскошь, а необходимость.
Конечно, серебро – благородный металл, и припои с его содержанием могут стоить дороже обычных. Но давайте взглянем на эту ситуацию с точки зрения экономической целесообразности и потенциальных рисков… Нет, давайте поглядим с точки зрения компании «SWATCH», которая, как вы помните угорела на миллиард зеленых бумажек, сэкономив в тысячу раз меньше на припое.
Более того, в ряде критически важных отраслей, таких как военная, морская, авиационная и космическая техника, требования к надежности, долговечности и отказоустойчивости настолько высоки, что использование серебряного припоя – не рекомендация, а обязательное условие. Здесь оловянные усы – это не досадный курьез, а потенциальная катастрофа, которая может привести к человеческим жертвам и многомиллиардным убыткам. А если вы являетесь контрактным производителем, работающим с этими отраслями, то выбор в пользу SAC. «У нас тут не ромашки паяем», – сказал мне один военный приемщик в бытность работы на заводе.
Вот и подошел к концу текст посвященный столь занимательной проблеме, как запрет свинца в пайке. Я постарался затронуть все, что касается этой темы: от теории формирования до практических способов борьбы. Надеюсь, что что смог сделать загадочное тривиальным, а необъяснимое очевидным. Помните, что технология электронного производства, это необъятная вселенная на стыке континуумов многих наук, несмотря на тотальную изученность, остающаяся до сих пор магией даже для посвященных. А усы? Что ж, им место не на плате, а вы знаете где.
Автор: Георгий Александров
