The Silent Short: ทำไมเส้นขนทองแดงจึงเติบโตในอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานต่ำ

ผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบมาสำหรับชีวิตยาวนานและเงียบสงบ วางอยู่บนชั้นวาง จิบกระแสไฟจากแบตเตอรี่ มันคือเซ็นเซอร์, ตัวมอนิเตอร์, ส่วนประกอบโครงสร้างพื้นฐานที่ตั้งใจจะติดตั้งและลืมมันไป ทำงานในห้องที่ควบคุมอุณหภูมิ ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 30°C ปีต่อมา มันพังโดยไม่มีสัญญาณเตือน สาเหตุไม่ใช่ส่วนประกอบที่ชำรุดหรือบั๊กซอฟต์แวร์ แต่เป็นเส้นใยโลหะระดับจุลทรรศน์ที่เติบโตอย่างเงียบ ๆ ตามเวลา สร้างวงจรขาดในที่ที่ไม่ควรมี

นี่เป็นความจริงที่น่าหงุดหงิดสำหรับวิศวกร สติปัญญาแบบเดิมบอกว่าขี้กลากดีบุก—โครงสร้างผลึกที่นำไฟฟ้า ซึ่งพุ่งออกมาจากพื้นผิวที่ชุบดีบุก—เป็นปัญหาในสิ่งแวดล้อมที่มีความกดดันสูง แต่เราเห็นพวกมันทำให้เกิดความล้มเหลวซ่อนเร้นในแอปพลิเคชันที่ไม่เป็นอันตรายที่สุด: เครือข่ายที่เปิดใช้งานตลอดเวลา กระแสต่ำบนแผงวงจรที่ไม่เคยพบช็อกความร้อนหรือกลไกสำคัญ สภาพแวดล้อมนี้มีความเงียบสงบและอุณหภูมิห้อง ซึ่งไม่ใช่โซนที่ปลอดภัย มันเป็นโรงเพาะชำที่ดีที่สุดสำหรับวิธีการล้มเหลวที่ชั่วร้ายนี้

ทำความเข้าใจศัตรู: ธรรมชาติที่ไม่สามารถคาดเดาของเส้นใยดีบุก

เส้นใยดีบุกไม่ใช่ผลผลิตของสนิมหรือการปนเปื้อน พวกมันเป็นการแสดงออกของฟิสิกส์ ซึ่งเติบโตโดยตรงจากผิวชุบของมันเอง

ปลั๊กกี้ตินคืออะไรและพวกมันก่อรูปอย่างไร?

เส้นใยกระป๋องเป็นการเจริญเติบโตโดยธรรมชาติคล้ายเส้นผมของดีบุกโมโนคริสตัล ซึ่งเส้นใยเหล่านี้สามารถเติบโตได้หลายมิลลิเมตรแต่ยังคงมีเส้นผ่าศูนย์กลางไม่กี่ไมโครเมตร ถึงแม้ว่าขนาดของมันจะเล็กมาก แต่มันแข็งแรงพอที่จะนำกระแสไฟหลายแอมป์ก่อนที่จะหลอมละลาย ซึ่งเป็นภัยคุกคามอย่างมากในอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ที่ช่องว่างของส่วนประกอบนั้นวัดได้ในมิลล์ พวกมันเติบโตอย่างไม่สามารถคาดเดาได้ในระยะเวลาหลายเดือนหรือปี สร้างความเสี่ยงที่ซ่อนอยู่ของการลัดวงจรระหว่างแผ่นแปะ พื้นผิวสายไฟ หรือขาอุปกรณ์ที่อยู่ใกล้เคียง

บทบาทของความเครียดอัดแน่นเป็นตัวขับเคลื่อนการเติบโต

แรงขับหลักของการเติบโตของเส้นใยดีบุกคือความเครียดอัดแน่นภายในชุบดีบุก แรงดันนี้อาจมีที่มาจากกระบวนการชุบเอง จากความเครียดที่เกิดจากพื้นผิวทองแดงพื้นฐาน หรือจากแรงกลไกภายนอก เพื่อบรรเทาความดันภายในนี้ ชั้นชุบดีบุกจึงพยายามหาเส้นทางต่ำสุดของความต้านทาน แทนที่จะบิดตัวอย่างสมดุล มันขับเคลื่อนวัสดุตรงจุดอ่อนในโครงสร้างเมล็ดของมัน การเคลื่อนย้ายอะตอมนี้ ซึ่งได้รับพลังงานเก็บไว้จากความเครียดอัดแน่น คือนำไปสู่การปะทุช้า ๆ ของเส้นใย

กลลวงอุณหภูมิ 30°C: พายุที่สมบูรณ์แบบสำหรับการก่อตัวของเส้นใย

ความเข้าใจผิดที่อันตรายที่สุดคือการเชื่อว่าขาดอุณหภูมิสุดขั้วหรือแรงกดดันกลไกเท่านั้นคือสภาพแวดล้อมที่มีความเสี่ยงต่ำ สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งเปิดใช้งานตลอดเวลา ตรงกันข้ามบ่อยครั้ง สภาพอุณหภูมิห้องที่คงที่ราว 30°C (86°F) สร้างจุดที่เป็นอันตรายอย่างไม่เหมือนใครสำหรับการเจริญเติบโตของเส้นใย

ทำไมอุณหภูมิห้องจึงไม่ใช่ ‘โซนปลอดภัย’

การก่อตัวของขนแมวเป็นการต่อสู้ระหว่างแรงอัดแน่นและความสามารถของอะตอมในการเคลื่อนที่ ในอุณหภูมิต่ำมาก ความสามารถของอะตอมในการเคลื่อนที่จะน้อยเกินไปที่จะให้ขนแมวเติบโตขึ้นได้ แม้จะมีแรงเครียดอยู่ก็ตาม ในอุณหภูมิสูงมาก (เกิน 100°C) ชั้นดีบุกสามารถผ่านการอบอ่อนตัวเองได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดแรงเครียดผ่านการคริสตัลลิไนซ์ใหม่ก่อนที่จะเกิดการก่อตัวของขนแมว

ช่วงอุณหภูมิโดยประมาณ 30°C ถึง 50°C เป็นโซนอันตราย มันให้พลังงานความร้อนเพียงพอแก่อะตอมดีบุกในการเคลื่อนที่และสร้างเส้นใย แต่ไม่ได้ร้อนพอที่จะบรรเทาความเครียดอัดแน่นที่อยู่เบื้องหลังในชุบ มันเป็นสภาพแวดล้อมที่มีความเคลื่อนไหวเพียงพอที่จะส่งเสริมการเจริญเติบโต แต่ก็ยัง passive เกินไปที่จะกระตุ้นการบรรเทาความเครียดตามธรรมชาติ

สถานะ ‘เปิดใช้งานตลอดเวลา’ ที่ใช้กระแสต่ำสร้างเงื่อนไขที่สมบูรณ์แบบ

แผงวงจรที่ใช้พลังงานต่ำและเปิดอยู่ตลอดเวลาส่งผลต่อพายุแห่งนี้ แตกต่างจากวงจรที่ใช้พลังงานสูงซึ่งสร้างความร้อนอย่างมากและเกิดรอบการทำงานความร้อนของตนเอง เครือข่ายเหล่านี้เป็นเครือข่ายซ่อนเร้นที่ให้พลังงานความร้อนต่ำอย่างต่อเนื่องซึ่งรักษาอุณหภูมิของบอร์ดให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตของหนวด สามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ไม่มากเพื่อช่วยแจกจ่ายความเครียดเท่านั้น สถานะที่คงที่นี้อนุญาตให้กระบวนการช้าๆ และเป็นระบบของการก่อตัวของหนวดดำเนินต่อไปโดยไม่มีการหยุดชะงักเป็นปี

ปัจจัยที่สำคัญ: การเลือกระบบเคลือบที่ทนต่อเส้นใย

แม้ว่าปัจจัยในการออกแบบจะช่วยได้ การเลือกพื้นผิวเป็นการตัดสินใจที่สำคัญที่สุดที่วิศวกรสามารถทำได้เพื่อบรรเทาความเสี่ยงของหนวดตะกั่ว ไม่มีความยอมรับใดๆ ที่ควรทำในกรณีนี้สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการอายุการใช้งานนาน

ความล้มเหลวของพื้นผิวเงินบริสุทธิ์

ตามระเบียบ RoHS พื้นผิวเงินบริสุทธิ์กลายเป็นทางเลือกที่แพงต่ำและเป็นที่นิยมแทนการบัดกรีที่มีตะกั่ว สำหรับใช้งานที่มีความน่าเชื่อถือสูง นี่เป็นความผิดพลาด เงินบริสุทธิ์ โดยเฉพาะเงินเงา ซึ่งมีโครงสร้างเมล็ดละเอียดและความเครียดภายในสูงจากกระบวนการชุบเป็นสิ่งที่โดดเด่นในการรุกเข้าสู่ Formation of whisker ทันที การออกแบบที่กำหนดพื้นผิวเงินบริสุทธิ์สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานนานเป็นการสร้างโหมดล้มเหลวที่ซ่อนอยู่ตั้งแต่เริ่มต้น

ทางแก้ที่เราแนะนำ: เงินด้านด้าน แผ่นนิกเกิล และอัลเนล

ระบบหลายส่วนเป็นการป้องกันที่เชื่อถือได้เท่านั้น เราแนะนำอย่างยิ่งให้ใช่พื้นผิวที่ประกอบด้วยเงินด้านทาเคลือบด้วยนิกเกิลซึ่งตามด้วยกระบวนการอัลเนลหลังการชุบ

แต่ละส่วนมีหน้าที่สำคัญ เงินด้านมีโครงสร้างเมล็ดที่ใหญ่กว่ามีความเครียดในตัวต่ำกว่าก Shinbright tin ลดแรงขับเคลื่อนหลักสำหรับการเจริญเติบโตของหนวด แผ่นนิกเกิลทำหน้าที่เป็นอุปสรรคสำคัญ ป้องกันการก่อตัวของซิลิโคนทองแดง-ตะกั่ว (IMCs)—เป็นแหล่งสำคัญของความเครียดอัดอากาศ ท้ายที่สุด การอัลเนลหลังการชุบซึ่งโดยทั่วไปคือการอบบอร์ดที่ 150°C เป็นเวลาหนึ่งชั่วโมงจะบรรเทาความเครียดภายในที่เหลือจากกระบวนการชุบเอง

การประเมินการป้องกันรองและความเข้าใจผิดทั่วไป

ในขณะที่การชุบเป็นแนวป้องกันหลัก กลยุทธ์อื่นๆ ก็ถูกพูดถึงบ่อยครั้ง จำเป็นต้องเข้าใจข้อ จำกัด ของพวกเขาและอย่าเข้าใจผิดว่านี่เป็นวิธีแก้ปัญหาแบบครบถ้วน

ขีดจำกัดของการเคลือบป้องกันเทียบกับการแพร่กระจายของหนวด

ความเชื่อทั่วไปคือว่าการเคลือบกันการเปลี่ยนรูปสามารถรองรับขนที่ก่อตัวขึ้นได้ง่ายๆ นี่เป็นข้อสมมติที่อันตราย การก่อตัวของขนที่เพิ่มขึ้นจะสร้างแรงกดดันอย่างมีนัยสำคัญที่ปลาย และจะเจาะผ่านเคลือบที่อ่อนนุ่มหลายประเภทตามเวลา ถึงแม้มันจะไม่เจาะผ่านเคลือบ ขนก็สามารถเติบโตขึ้นใต้เคลือบ ดันขึ้นไป หรือหาเส้นทางผ่านบริเวณที่มีรูพรุนได้ ขณะที่เคลือบแข็งหนาอย่างอีพ็อกซี่อาจให้การต้านทานบางอย่าง แต่ก็ไม่ควรเป็นกลยุทธ์หลักในการป้องกัน การป้องกันรองเท่านั้นดีที่สุด

บทบาทสนับสนุนของตัวเคลือบกันและช่องว่างเชิงกลยุทธ์

แนวทางการออกแบบที่ดีสามารถลดผลลัพธ์จากหนวด แม้จะไม่สามารถป้องกันการก่อตัวได้ การเว้นระยะห่างระหว่างสายไฟโดยเฉพาะสำหรับชิ้นส่วนที่มีช่องว่างละเอียด จะช่วยยากต่อการเชื่อมต่อของหนวดสำหรับสายที่สำคัญ รวมถึงการใช้เคเบิลที่เชื่อมต่อสายดินสำหรับให้เส้นทางปลอดภัยไปยังกราวด์ ซึ่งสามารถป้องกันการลัดวงจรระหว่างสัญญาณที่ใช้งานอยู่ ทักษะและกลยุทธ์เหล่านี้ช่วยลดความเสี่ยง แต่ไม่ได้แก้ปัญหาสาเหตุที่แท้จริง

สมุดปฏิบัติการเชิงปฏิบัติสำหรับความน่าเชื่อถือในระยะยาว

การป้องกันความล้มเหลวในสนามที่เงียบจากหนวดตะกั่วไม่ได้ขึ้นอยู่กับโชคชะตา แต่มาจากการออกแบบวิศวกรรมอย่างมีจุดมุ่งหมาย ทำแนวทางง่าย ๆ ว่าให้จัดการกับสาเหตุหลัก ไม่ใช่อาการ การตัดสินใจที่สำคัญที่สุดทำในระยะการผลิต ซึ่งเป็นช่วงก่อนติดตั้งชิ้นส่วนใด ๆ

สำหรับผลิตภัณฑ์ใด ๆ ที่ต้องทำงานเงียบและเชื่อถือได้เป็นเวลาหลายปี พื้นผิวเคลือบเป็นสิ่งสำคัญที่สุด ระบบที่ใช้เงินด้านด้าน เคลือบด้วยนิกเกิลใต้ และวงจรอัลเนลที่เหมาะสมเป็นกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพที่สุด การพึ่งพาเงินบริสุทธิ์เป็นความเสี่ยงที่ยอมรับไม่ได้ การเชื่อว่าการเคลือบแบบการเคลือบแบบภาพรวมจะช่วยแก้ปัญหาการชุบเสียเป็นสูตรล้มเหลว การใช้ตัวเคลือบกันและช่องว่างช่วยได้ แต่การเลือกชุบที่เหมาะสมคือสิ่งที่ทำให้มั่นใจได้ถึงชีวิตที่ยืนยาวและเงียบสงบ