Тихий короткое замыкание: почему оловянные ворсинки процветают в электронике малой мощности

Продукт, рассчитанный на долгую и тихую работу, стоит на полке, потребляя миллиамперы от батареи. Это датчик, монитор, часть инфраструктуры, предназначенная для установки и забвения, работающая в климат-контролируемой комнате с комфортной температурой около 30°C. Через годы он выходит из строя без предупреждения. Виновником является не неисправная компонента или программная ошибка. Это микроскопическая металлическая нить, которая беззвучно выросла со временем, создавая короткое замыкание там, где его не должно быть.

Это разочаровывающая реальность для инженеров. Общепринятая мудрость говорит, что оловистые «улитки» — это проблема в условиях высокого напряжения: электрически проводящие кристаллические структуры, которые вырастают из оловянных покрытий. Однако мы видим их вызывающими скрытые отказы даже в самом безобидном использовании: постоянно включённые, с низким током цепи на платах, которые никогда не подвергаются значительному тепловому или механическому шоку. Эта тихая, комнатная среда — не безопасная зона. Она отлично подходит для зарождения этого коварного режима отказа.

Понимание врага: непредсказуемая природа оловистых «улиток»

Оловянные усики — это не результат коррозии или загрязнения. Это проявление физики, растущее прямо из самой покрытой поверхности.

Что такое оловянные усики и как они образуются?

Тиновые усики — это спонтанный, похожий на волосы рост моно-кристаллического олова. Эти нити могут достигать нескольких миллиметров в длину, но оставаться всего лишь в несколько микрометров в диаметре. Несмотря на их крошечный размер, они достаточно прочны, чтобы проводить несколько ампер тока, прежде чем расплавиться, что представляет значительную опасность в современной электронике, где расстояния между компонентами измеряются в тысячных долях дюйма. Они растут непредсказуемо в течение месяцев или лет, создавая скрытую опасность коротких замыканий между соседними контактами, дорожками или выводами компонентов.

Роль компрессионного напряжения в качестве двигателя роста

Основным движущим фактором роста оловянных усиков является внутреннее компрессионное напряжение в покрытии из олова. Это давление может возникать в процессе нанесения покрытия, из-за напряжений, вызванных базовым медным-subстратом, или из-за внешних механических сил. Чтобы снять это внутреннее давление, покрытие из олова ищет путь наименьшего сопротивления. Вместо равномерной деформации оно выбрасывает материал в слабых точках своей зернистой структуры. Такая миграция атомов, питающаяся запасенной энергией компрессионного напряжения, вызывает медленное и устойчивое появление усика.

Обман при 30°C: идеальный шторм для формирования улиток

Самое опасное заблуждение — это представление, что отсутствие экстремальных температур или механического напряжения означает низкий риск. Для устройств с низкой мощностью и режимом сна зачастую наоборот. Постоянное состояние при комнатной температуре около 30°C (86°F) создает уникально опасную «золотую середину» для роста усиков.

Почему комнатная температура — это не «зона безопасности»

Образование усиков — это борьба между сжимающим напряжением и атомной мобильностью, необходимой для перемещения атомов. При очень низких температурах атомная мобильность слишком низка для роста усиков, даже если присутствует напряжение. При очень высоких температурах (выше 100°C) слой олова может эффективно пройти отпуск, снимая напряжение за счет рекристаллизации, прежде чем усики смогут образоваться.

Диапазон 30°C до 50°C — зона опасности. Он обеспечивает достаточно тепловой энергии, чтобы атомы олова могли двигаться и формировать усик, но при этом недостаточно горячий, чтобы снизить внутреннее компрессионное напряжение в покрытии. Окружающая среда достаточно активна, чтобы поддерживать рост, но слишком пассивна, чтобы инициировать естественное снятие напряжения.

Как низкотекущий режим «постоянного включения» создает идеальные условия

Низкое потребление энергии и всегда включенные цепи способствуют этой идеальной буре. В отличие от высокопотребляющих цепей, которые выделяют значительное тепло и создают собственные тепловые циклы, эти «спящие» сети обеспечивают постоянную, низковольтную тепловую энергию, которая поддерживает идеально подходящую для роста усов температуру платы. Нет значительных колебаний температуры, чтобы перераспределить стресс, только устойчивое состояние, позволяющее медленному, методичному процессу формирования усов продолжаться без перерывов годами.

Решающий фактор: выбор системы гальванического покрытия, устойчивой к улиткам

Хотя проектные факторы могут помочь, выбор поверхности покрытия — самое важное решение, которое может принять инженер для снижения риска возникновения усов из олова. Здесь не должно быть компромиссов для продуктов, требующих долгого срока службы.

Отказ чистого олова

Следование нормативам RoHS сделало покрытие из чистого олова общим, недорогим заменителем свинцовых припоев. Для высоконадежных применений это было ошибкой. Чистое олово, особенно яркое олово с его тонкой зернистой структурой и высоким внутренним напряжением из-за процесса нанесения, крайне подвержено образованию усов. Любой дизайн, предусматривающий покрытие из чистого олова для продукции с долгим сроком службы, изначально содержит скрытый режим отказа.

Наше рекомендуемое решение: матовое олово, никелированное основание и отпуск

Многослойная система — единственная надежная защита. Мы настоятельно рекомендуем покрытие из матового олова на никелированную подложку с последующим отпуском после нанесения покрытия.

Каждый компонент выполняет важную функцию. Матовое олово имеет более крупную зернистую структуру и изначально меньшие внутренние напряжения по сравнению с ярким оловом, что уменьшает основной движущий механизм роста усов. Никелированная подложка служит важным барьером, предотвращая образование интерметаллидных соединений медь-олово (IMCs), что является одной из основных причин сжатия. В конце концов, отпуска после нанесения покрытия, обычно при нагреве плат до 150°C в течение часа, снимает оставшиеся внутренние напряжения, связанные с процессом нанесения.

Оценка вторичных защит и распространённых заблуждений

Хотя покрытие является основной защитой, обсуждаются и другие стратегии. Важно понимать их ограничения и не путать их с полноценным решением.

Ограничения конформного покрытия против проникновения усов

Распространенное мнение — что конформное покрытие может просто содержать любые образующиеся усы. Это опасное предположение. Рост уса создает значительное давление на его вершине и со временем проколет многие виды мягких покрытий. Даже если он не пробьет покрытие, усы могут расти под ним, подталкивая его вверх, или находить путь через пористые участки. Хотя толстое, твердое покрытие, такое как эпоксид, может предложить некоторую сопротивляемость, оно никогда не должно быть основным средством уменьшения риска. Это максимум вспомогательная защита.

Роль защитных трасс и стратегического распределения

Правильный дизайн может снизить последствия образования уса даже если предотвратить его появление невозможно. Максимизация расстояния между проводниками, особенно для компонентов с тонким шагом, усложняет усу перебросить зазор. Для критичных сетей можно встраивать заземленные защитные трассы, обеспечивающие безопасный путь к земле, что может предотвратить короткое замыкание между двумя активными сигналами. Это полезные техники снижения риска, но они не устраняют основную причину.

Практическая тактика для долгосрочной надёжности

Предотвращение беззвучных полевых отказов из-за усов из олова — это не вопрос удачи; это вопрос целенаправленной инженерии. Руководство очень простое: устранить первопричину, а не симптомы. Самое важное решение принимается на этапе производства, задолго до установки компонентов.

Для любого продукта, который должен работать тихо и надежно в течение многих лет, поверхность покрытия имеет первостепенное значение. Наиболее эффективная стратегия — это система с матовым оловом, никелированным основанием и правильным циклом отпуска. Полагаться на чистое олово — недопустимый риск. Вера в то, что конформное покрытие спасет плохой выбор покрытия, — рецепт неудачи. Защитные трассы и расстояния помогают, но правильный выбор покрытия обеспечивает долгую и тихую работу.