В области обеспечения надежности электронных изделий, два режима отказа обшивки скрываются, как невидимые убийцы. Они прячутся в микроскопических деталях печатные платы (Печатные платы) и печатные платы (Сборки печатных плат), ожидание, чтобы вызвать катастрофические неудачи. Этими режимами являются оловянные усы и ползучая коррозия.. От потери А. $250 миллиона спутников связи для ложного срабатывания сигнализации атомной электростанции, многочисленные инженерные исследования доказывают одну истину: Надежность покрытия является непреложной основой долгосрочной стабильной работы электронных изделий.. В этой статье представлен глубокий технический анализ дизайн печатной платы, Производство, и инженеры по надежности. Он охватывает механизмы отказа, классические тематические исследования, влияющие факторы, и меры по смягчению последствий.
1. Оловянные Усы: Проводящий “Волосы” с микронными диаметрами и километровыми рисками
1.1 Определение и характеристики
Оловянные усы в порядке, игольчатые выступы монокристаллического олова. Они самопроизвольно растут на поверхности чистого олова или покрытий из оловянных сплавов.. Их диаметр обычно колеблется от 1 к 10 мкм, сделать их невидимыми невооруженным глазом. Однако, их длина может достигать нескольких миллиметров. В крайних случаях, они могут вырасти до более чем25 мм. Как только ус становится достаточно длинным, чтобы соединить соседние проводники на печатной плате, например контактные площадки, булавки, или следы — это может вызватьнизкоомные короткие замыкания или дуговые разряды. Опасность особенно серьезна в условиях низкого давления в аэрокосмической отрасли..
1.2 Классические инженерные примеры: От истребителя F-15 до Галактики 4 Спутник
Разрушительная сила оловянных усов не преувеличена.. НАСА уже давно отслеживает и документирует многочисленные крупные инциденты, вызванные оловянными усами.:
- 1986, НАС. Истребитель ВВС F-15: Радиолокационное оборудование испытало периодические сбои. Вибрация в кабине приводила к тому, что оловянные усы постоянно меняли положение.. Из-за этого короткие замыкания то появлялись, то исчезали., значительно увеличивает сложность локализации неисправности.
- 1987 представить, Атомные электростанции: По меньшей мере Семь остановки атомных электростанций объясняются выходы ложных сигналов из цепей системы сигнализации, вызванных оловянными усами. Эти ложные сигналы привели к тому, что системы неправильно оценили состояние реактора..
- 1998, ПанАмСат Гэлакси 4 Спутник связи: Это один из самых известных случаев отказа в отрасли.. Галактика 4 спутник, ценность $250 миллион и обслуживаем десятки миллионов пользователей в Северной Америке, был безвозвратно утерян из-за отказа основного процессора. Расследование подтвердило, что виновником стал электрическое короткое замыкание вызванный оловянными усами. Статистика показывает, что из 1998 по настоящее время, оловянные бакенбарды вызвали в общей сложности 11 отказы систем управления на коммерческих спутниках на орбите. Четыре спутника были потеряны полностью.
- 2006, Космический шаттл: Во время испытаний двигателя, система сообщила ложный отказ двигателя сигналы из-за оловянных усов. Это едва не спровоцировало маневр отклонения от орбиты..
1.3 Механизмы роста и стратегии смягчения последствий
Основной движущей силой роста оловянных усов являетсясжимающее остаточное напряжение внутри слоя покрытия. Этот стресс может возникать из разных источников.: неравномерный рост интерметаллидов Cu-Sn (такие как Cu₆Sn₅) на интерфейсе, дисбаланс химии в ванне, механические внешние силы, или несоответствия термоциклирования.
Исходя из этого понимания, отрасль разработала зрелый наборстратегии смягчения последствий. Эти методы включены в международные стандарты, такие какJEDEC JESD201 (Требования экологической приемлемости) иJEDEC/МПК JP002 (Руководство по теории усов и практике смягчения последствий):
- Легирование: Добавление таких элементов, как Пб (вести) лужению — проверенный метод, одобренный НАСА.. После подтверждения рисков чистого олова, НАСА прямо требует добавления небольшого количества свинца в луженые покрытия критически важных компонентов..
- Подслойный барьер: Внесение В (никель) Слой на медной выводной рамке в качестве диффузионного барьера эффективно предотвращает быстрое образование интерметаллидов Cu-Sn.. Это снимает сжимающее напряжение и препятствует росту усов при комнатной температуре..
- Химия для ванн и термообработка: Строгий контроль добавок в процессе лужения предотвращает стресс из-за дисбаланса ванны.. Кроме того, а 150°С высокотемпературный обжиг эффективно снимает внутренние напряжения в покрытии, изменение кинетики роста усов.
2. Ползучая коррозия: Тихо распространяющаяся чернота “Чума”
Если оловянные усы мгновенные “убийцы с коротким замыканием,” тогда ползучая коррозия - медленное, но смертельное “черная чума.”
2.1 Определение и механизм
Под ползучей коррозией понимают реакциюоткрытые медные поверхности с серосодержащими средами (H₂S, ТАК₂, элементарная сера, и т. д.). Эта реакция генерируетчерные сульфиды меди (например Cu₂S). Эти продукты коррозии обладаютчрезвычайно высокая поверхностная подвижность. За счет градиентов концентрации, они постоянномигрировать и ползти по всей поверхности паяльной маски печатной платы, образуя паутинные структуры.
Этот процесс следует зарастворение/диффузия/осаждение механизм:
- Оксиды меди нерастворимы в воде., но Сульфиды и хлориды меди растворимы в воде.. Они быстро диффундируют с помощью влаги. (водная пленка).
- Сульфиды меди имеют полупроводниковые свойства. Их сопротивление изоляции может резко упасть от 10 МОм до 1 Ой по мере накопления концентрации. В конечном итоге это приводит к коротким замыканиям между соседними контактными площадками или переходными отверстиями..
2.2 Ключевые факторы влияния и авторитетные данные
(1) Влажность: Экспоненциальный ускоритель
Влажность является наиболее важным фактором, ускоряющим ползущую коррозию.. ИсследованияПин Чжао и его коллеги показывают, что скорость ползучей коррозии имеетэкспоненциальная зависимость с влажностью.Крейг Хиллман и его команда в экспериментах со смешанными потоками газов обнаружили, что скорость коррозии увеличивается с увеличениемпараболическая мода при повышении относительной влажности. Для меди, когда относительная влажность увеличивается от 60% РХ это 80% Раствор, Скорость коррозии увеличивается в несколько раз. 3.6.
(2) Коррозионные газы: Забытые экологические убийцы
Коррозионные газы в атмосфере создают материальную основу для ползучей коррозии.. На основе 1.5 лет мониторинга данных с больших компьютеров в шести штатах США.. объектов и данные шестимесячных испытаний на воздействие из Токио, Япония, основные загрязняющие газы и их допустимые пределы концентрации следующие::
| Загрязняющий газ | Концентрация в помещении (мкг/м³) | Скорость накопления (мкг/м²) | Допустимая концентрация (мкг/м³) | Затронутые основные материалы |
|---|---|---|---|---|
| ТАК₂ | 1~40 | 5.2~16,2 | 71 | Все металлы, особенно никелированный |
| НЕТ₂ | 3~60 | 28.7~58,7 | 82 | Кузок, Медные сплавы |
| H₂S | 0.2~1 | 0.04~0,24 | 3 | Аг, Кузок |
| HCl | 0.08~0,3 | 1.5~4,7 | 3 | Почти все металлы |
| Cl₂ | 0.004~0,015 | - | 0.4 | Кузок |
(Источник данных: НАС. 6-мониторинг внутри объекта и испытания на воздействие в Токио)
(3) Подложка печатной платы и обработка поверхности: Выбор материала определяет судьбу
Различные подложки и виды обработки поверхности демонстрируют существенные различия в устойчивости к ползучей коррозии.:
- Сравнение субстратов (Исследование Конрада, сухая/влажная атмосфера H₂S): Латунь демонстрирует наилучшую стойкость к ползучей коррозии, пока CuNi работает хуже всех.
- Сравнение качества поверхности (совместная оценка Alcatel-Lucent, Делл, и другие): ХАСЛ (Выравнивание припоя горячего воздуха) и Им-Сн (Погружная банка) показать лучший коррозионная стойкость. ОСП (Органическая припаяя консервант) и СОГЛАШАТЬСЯ (Химическое никель, иммерсионное золото) показывать умеренный производительность. Им-Аг (Погружение серебро) показывает самый бедный коррозионная стойкость.
2.3 Типичная морфология отказов
В практическом анализе отказов, Ползучая коррозия часто имеет две типичные морфологии::
- Коррозия паяных соединений резисторной сети: Продукты черной сульфидной коррозии распространяются вокруг паяных соединений., в конечном итоге вызывая короткие замыкания между соседними суставами.
- ПТХ (Позолоченное сквозное отверстие) Коррозия: Медная поверхность внутри металлизированного сквозного отверстия подвергается сульфидированию.. Продукты коррозии мигрируют вдоль стенки отверстия., серьезно ставя под угрозу надежность электрического соединения переходного отверстия..
3. Профилактика и обнаружение: Создание надежной линии защиты печатных плат/PCBA
3.1 Меры профилактики
- Оптимизация материалов: Отдавайте предпочтение отделке поверхности с высокой устойчивостью к ползучей коррозии., такой как HASL или Im-Sn. Для изделий высокой надежности, учитывать СОГЛАШАТЬСЯ в сочетании с процессами сквозного наполнения.
- Экологический контроль: Строго контролировать концентрацию агрессивных газов в рабочей среде.. Держать Концентрация H₂S ниже 3 мкг/м³ и относительная влажность ниже 60% Раствор.
- Смягчение последствий Tin Whisker: Внесите депозит Барьерный слой Ni на медных проводах, или используйте Покрытия из сплава олова, содержащего свинец. Строго проводить испытания на циклическое изменение температуры. (-55/85°С, 3000 цикл) указано в JEDEC JESD201 для оценки риска оловянных усов.
- Конформное покрытие: Нанесите конформное покрытие на поверхность печатной платы, чтобы физически изолировать ее от агрессивных газов..
3.2 Методы обнаружения
| Метод обнаружения | Сценарий приложения |
|---|---|
| SEM/EDS | Изучите микроморфологию и элементный состав усов и продуктов коррозии. |
| Ионная хроматография (IC) | Обнаружение коррозионных ионных загрязнений, остающихся на поверхности печатной платы |
| Рентгеновский осмотр | Неразрушающее обнаружение внутренних структурных дефектов в переходных отверстиях PTH |
| Металлографическое сечение | Визуально представить пути миграции и глубину продуктов коррозии |
Для оптовых закупок печатных плат/PCBA и индивидуальных требований, мы рекомендуем выбрать поставщик печатных плат с возможностью сертификации для МЭК 62483 (Экологические приемочные испытания Tin Whisker) и АСТМ Б845 (Коррозионные испытания смешанного газа). Чтобы получить профессиональную цитировать или получить консультацию по высоконадежным решениям для печатных плат/PCBA, пожалуйста, свяжитесь с нашей технической командой. Мы готовы помочь вам купить подходящие продукты для вашего применения.
Декларация источника данных
Данные и тематические исследования, приведенные в этой статье, в основном получены из следующих авторитетных организаций и стандартов.:
- НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) Отчеты о случаях отказа оловянных усов
- Jatc Стандартный ДЖЕСД201А – Требования экологической приемлемости в отношении чувствительности поверхности олова и его сплавов к оловянным усам
- JEDEC/IPC Совместный стандарт JP002 – Текущая теория «оловянных усов» и рекомендации по практике смягчения последствий
- Jatc Метод испытания ДЖЕСД22-А121А – Метод испытаний для измерения роста усов на поверхности олова и сплавов олова
- МЭК 62483 – Требования экологической приемлемости в отношении чувствительности к оловянным усам поверхностей из олова и сплавов олова на полупроводниковых устройствах
- АСТМ Б845 – Стандартное руководство для смешанных потоков газа (МФГ) Испытания электрических контактов
- иНЕМИ (Международная инициатива по производству электроники) Отчеты исследовательского проекта Tin Whisker и отчеты об исследованиях ползучей коррозии
- НАС. 6-данные мониторинга окружающей среды в помещении и Токио, Данные испытаний на воздействие в Японии
