Сегодня мы перестанем чихвостить толерантных к подобным вещам европейцев и более не будем стращать вас последствиями проникновения усов. 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 мой мастер цеха, "Лучше пытаться, чем смотреть, как оно само ломается".
Итак, краткий перечень мер против этой микроскопической, но очень неприятной проблемы:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 трещин, 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.
Итак, друзья, мы завершили наш цикл статей, 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)
Список литературы:
- А.В. Иванов, П.С. Петров. Исследование влияния легирования на рост оловянных нитевидных кристаллов. «Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники», 2020, стр. 10-18.
- В.И. Сидоров, М.А. Козлов. Влияние режимов термоциклирования на надежность паяных соединений бессвинцовыми припоями. «Технология и конструирование в электронной аппаратуре», 2019, стр. 25-32.
- Д.Е. Смирнов, О.Н. Васильева. Оценка эффективности защитных покрытий для предотвращения роста оловянных усов. «Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника», 2021, стр. 45-53.
- А.С. Коваленко, Т.В. Новикова. Бессвинцовые припои для электронной промышленности: обзор проблем и перспектив. «Радиотехника», 2022, стр. 15-22.
- И.Г. Яковлев, Е.А. Попова. Методы контроля качества бессвинцовых паяных соединений. «Контроль. Диагностика», 2018, стр. 38-44.
- К.П. Денисов, Л.И. Морозова. Особенности применения припоев на основе олово-серебро-медь (SAC) в современной электронике. «Компоненты и технологии», 2023, стр. 56-62.
- С.В. Васильев, А.Д. Петров. Влияние технологических параметров пайки на надежность бессвинцовых паяных соединений. «Технологии в электронной промышленности», 2017, стр. 22-29.
- N. E. Islam, M. S. Hossain, M. A. Rahman, S. R. Khan. Tin whisker formation and mitigation strategies: A review. Microelectronics Reliability, 2022, vol. 134, 114506.
- L. Wang, Y. Wang, J. Zhang. Effect of alloying elements on tin whisker growth in lead-free solders. Journal of Alloys and Compounds, 2020, vol. 848, 156687.
- H. Liu, S. Zhao, X. Wei, Y. Du. Mitigation of Tin Whiskers by Alloying with Other Metals. Metals, 2023, vol. 13, no. 8, 1375.
