Чем горячее, тем больше головной боли.
Интерметаллиды — химические соединения металлов с собственной кристаллической решёткой, не похожей на решётку ни одного из исходных компонентов. Нас интересует пара олово–медь: припой и площадка. На их границе всегда вырастает слой из Cu₆Sn₅ и Cu₃Sn, и сам по себе он нужен, именно через него припой держится за медь металлургически, а не на честном слове. Беда в росте этого слоя. Интерметаллид твёрд, хрупок и проводит хуже припоя; чем он толще, тем ближе соединение к стеклянной перемычке.
Пустоты Киркендалла — микрокаверны внутри интерметаллидного слоя. Медь уходит в олово быстрее, чем олово в медь, места ушедших атомов занять нечем, вакансии слипаются в поры. Поры выстраиваются вдоль границы и превращают её в перфорацию, по которой соединение и рвётся, от термоциклов или просто от времени.
Дальше разберёмся, что разгоняет оба процесса и что с этим делать технологу.
Правило Вант-Гоффа и уравнение Аррениуса: почему химия решает всё
Профессиональный химик, которым ваш любимый автор не является, справедливо заметил бы, что правило Вант-Гоффа – эмпирическое обобщение с ограниченной областью применимости, и порекомендовал бы уравнение Аррениуса:
d ln(k) / dT = Ea / (R·T2)
Но мы в инженерном сообществе, где интегрировать ради удовольствия считается моветоном. Прикинув условия реакций, которые реально протекают на наших платах, договоримся оставаться в зоне действия правила: температура до 400 ℃, давление 0,01–200 атм, реагенты с молекулярной массой не более 1000 а.е.м.
Покончив с реверансами, выписываем формулу, привлекательную своей быстротой:
V2 = V1 · γ(T2 - T1) / 10
При росте температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается кратно температурному коэффициенту γ. Обычно его принимают равным 2, в наблюдаемых явлениях он лежит в диапазоне 2–4 и вычисляется элементарным образом.
Как разрушается паяное соединение: интерметаллиды Cu₆Sn₅ и Cu₃Sn
К чему всё это словоблудие. Старение электронного устройства – это скорость протекающих в нём химических реакций. Отбросим механику и коррозию, и ресурс платы упрётся в ресурс паяных соединений, а традиционная пайка на медную площадку деградирует из-за роста интерметаллидов:
Cu3Sn и Cu6Sn5
Механизм послойный. Сначала на границе припой-медь образуется Cu₆Sn₅ (η-фаза), затем под ним, ближе к меди, растёт вторичный интерметаллид Cu₃Sn (ε-фаза). И уже внутри ε-фазы появляются каверны – те самые пустоты Киркендалла. Вдоль них соединение и рвётся, теряя прочность и проводимость, будто туалетная бумага по перфорации.
Сперва образуется Cu₆Sn₅ (η-фаза), далее вторичный интерметаллид Cu₃Sn (ε-фаза), а в нём уже растут пещеры. Направление миграции меди показано стрелкой, шутки про миграцию приветствуются.
Растут ли интерметаллиды при комнатной температуре
Было время, когда пустоты считали следствием нагрева. Обобщая исследования минувших лет, мой коллега, популярный у англоязычной аудитории как «доктор Рон», подтверждает обратное: интерметаллиды и пустоты Киркендалла растут всё время и при любой температуре, просто не так быстро. Нагрев не запускает процесс, он его разгоняет.
Почему ENIG и OSP не спасают от деградации
Разбираем мы явление на медно-оловянной паре, но и другие финишные покрытия проблему не снимают: ENIG и OSP лишь замедляют её развитие.
SAC-припои, легированные цинком и кобальтом, не отличаются ни ценовой привлекательностью, ни простотой технологии, особенно по части совместимости с покрытиями выводов. Проблему жён, пусть и в теоретически-умозрительном виде, решил ещё Роберт Шекли в «Билете на планету Транай», а серийных припоев с редкоземельным легированием мы ждём лишь к концу десятилетия.
Практическое значение: где перегрев режет ресурс
Хранить электронику в холодильнике не нужно, последствия пояснять не буду. Для радиолюбительских плат новое знание тоже мало что меняет: был бы соблюдён термопрофиль.
А вот в промышленном монтаже забота о ресурсе изделия вводит вполне ощутимые ограничения. Речь о массивных компонентах и многослойных платах с их тепловой инерцией. В худшем случае вы паяете плату с BGA-процессором, и начинаются ухищрения: то растягиваем термопрофиль, чтобы подвести плату к оплавлению однородно прогретой, то задираем температуру пика, компенсируя локальную теплоёмкость. Оба пути чреваты перегревом и ограничены по значениям, поэтому приходится на полную задействовать настройки двустороннего нагрева. Задача при этом, вопреки написанному выше, — снизить и общее время оплавления, и температуру пика, и выдержку на нём.
Пользу выдержки платы при высокой температуре в своё время освещали коллеги из Миландра. Но термотренировка — отдельная регламентированная процедура; прочий прогрев не влечёт ничего, кроме ускоренного старения. А в расплаве скорость реакций растёт колоссально: как подчёркивает блистательный Даниил Фролов, секунды пайки измеряются годами жизни устройства. Прямо как у человека, любующегося атомными испытаниями.
Поэтому идеалистичная кривая отказов планово состаренных компонентов
одним движением мыши превращается из уютной долины в океанскую впадину, предсказуемо хранящую множество ужасов:
Доза теплового воздействия: как посчитать тепловую нагрузку на плату
И простой нагрев, и оплавление копят то, что известно как доза теплового воздействия. Именно она задаёт и скорость образования интерметаллидов, и стартовое значение тепловой деградации компонентов, а значит, и срок жизни вашего монтажа.
Чтобы вычислять эту величину с достаточной точностью по измеряемым и паспортным параметрам, предложу формулу:
R = ∫0tобщ (T(t) - T0)2 dt + (3π / e) · (Tпик - Tплав)2 · tпик
Доза считается как интеграл функции температуры по времени, где:
- t_общ – длина термопрофиля;
- T(t) – зависимость температуры от времени, она же кривая оплавления;
- T₀ – точка старта пайки;
- T_плав – температура оплавления припоя;
- T_пик и t_пик – пиковая температура пайки и продолжительность выдержки на ней.
Всё в точности как с обжаркой лука: грейте сколько надо, но строго не больше, иначе готовое блюдо будет испорчено. Паяльные агрегаты давно позволяют тонко регулировать температуру раздельно сверху и снизу в каждой зоне печи оплавления, и современная элементная база вынуждает использовать все возможности настройки.
С Вами был магистр Георгий, пусть всё печётся Well done.
