Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Серебряные усы, растущие из резисторов поверхностного монтажа

Волосы металла - это явление, которое возникает в электрических устройствах, когда металлы со временем образуют длинные, похожие на усы выступы. Вискеры олова были замечены и задокументированы в эпоху электронных ламп в начале 20 века в оборудовании, в производстве которого использовался чистый или почти чистый припой из олова. Было замечено, что между металлическими контактными площадками припоя росли небольшие металлические волоски или усики, вызывающие короткие замыкания . Металлические усы образуются при сжимающем напряжении. Были зарегистрированы усы цинка , кадмия и даже свинца . [1] Многие методы используются для смягчения проблемы, включая изменения в отжиге.процесс (нагрев и охлаждение), добавление элементов, таких как медь и никель, и включение защитных покрытий . [2] Традиционно свинец добавляли для замедления роста усов в припоях на основе олова.

Следуя Директиве об ограничении использования опасных веществ (RoHS), Европейский Союз с 2006 года запретил использование свинца в большинстве бытовых электронных товаров из-за проблем со здоровьем, связанных со свинцом, и проблемы «высокотехнологичного мусора», что привело к переориентации на проблема образования усов в бессвинцовых припоях .

Механизм [ править ]

Микроскопический вид олова, используемого для пайки электронных компонентов, показывает усы

Волосы металла - это кристаллическое металлургическое явление, связанное с самопроизвольным ростом крошечных нитевидных волосков на металлической поверхности. Эффект в первую очередь проявляется на элементарных металлах, но также наблюдается и на сплавах .

Механизм роста металлических усов не совсем понятен , но, похоже, ему способствуют сжимающие механические напряжения, в том числе:

  • остаточные напряжения, вызванные гальваникой ,
  • механические напряжения,
  • напряжения, вызванные диффузией различных металлов,
  • термически индуцированные напряжения, и
  • градиенты деформации в материалах. [3]

Металлические усы отличаются от металлических дендритов по нескольким параметрам; дендриты имеют форму папоротника и растут по поверхности металла, в то время как металлические усы имеют форму волос и выступают перпендикулярно поверхности. Для роста дендритов требуется влага, способная растворять металл в растворе ионов металла, которые затем перераспределяются за счет электромиграции в присутствии электромагнитного поля . Хотя точный механизм образования «усов» остается неизвестным, известно, что для образования «усов» не требуется ни растворения металла, ни присутствие электромагнитного поля.

Эффекты [ править ]

Цинковые усы длиной несколько мм на оцинкованной стали

Усы могут вызвать короткое замыкание и искрение в электрическом оборудовании. Это явление было обнаружено телефонными компаниями в конце 1940-х годов, а позже было обнаружено, что добавление свинца к оловянному припою смягчает его последствия. [4] Европейская директива об ограничении использования опасных веществ (RoHS), вступившая в силу 1 июля 2006 г., ограничила использование свинца в различных типах электронного и электрического оборудования. Это привело к использованию бессвинцовых сплавов с акцентом на предотвращение образования усов, см. § Смягчение и устранение . Другие сосредоточились на разработке кислородных барьерных покрытий для предотвращения образования нитевидных кристаллов. [5]

Цинковые усы, переносимые по воздуху, являются причиной увеличения частоты отказов системы в компьютерных серверных комнатах . [6] Цинковые усы вырастают из оцинкованных (гальванических) металлических поверхностей со скоростью до миллиметра в год при диаметре нескольких микрометров. Усы могут образовываться на нижней стороне цинковой гальванической плитки для пола на фальшполах из-за нагрузок, возникающих при ходьбе по ним; эти усы могут затем попасть в воздух внутри напольного пространства, когда плитки потревожены, обычно во время технического обслуживания. Усы могут быть достаточно маленькими, чтобы проходить через воздушные фильтры и оседать внутри оборудования, что приводит к коротким замыканиям и отказу системы.

Оловянные усы не обязательно должны находиться в воздухе, чтобы повредить оборудование, поскольку они, как правило, уже растут в среде, где могут возникать короткие замыкания. На частотах выше 6 ГГц или в быстрых цифровых цепях оловянные усы могут действовать как миниатюрные антенны , влияя на полное сопротивление цепи и вызывая отражения. В дисководах компьютеров они могут сломаться, что приведет к поломке головки или поломке подшипников. Оловянные усы часто вызывают отказы реле и были обнаружены при обследовании отказавших реле на объектах ядерной энергетики . [7] Кардиостимуляторы были отозваны из-за оловянных усов. [8]Исследования также выявили особый режим отказа для нитевидных кристаллов олова в вакууме (например, в космосе), когда в компонентах большой мощности закорачивающий нитевидный кристалл олова ионизируется в плазму, способную проводить сотни ампер тока, значительно увеличиваясь. повреждающее действие короткого замыкания. [9] Возможное увеличение использования чистого олова в электронике из-за директивы RoHS побудило JEDEC и IPC выпустить стандарт приемочных испытаний оловянных усов и руководство по практике смягчения последствий, призванное помочь производителям снизить риск появления усов олова в бессвинцовых продуктах. . [10]

Серебряные усы часто появляются в сочетании со слоем сульфида серебра, который образуется на поверхности серебряных электрических контактов, работающих в атмосфере, богатой сероводородом и высокой влажностью . Такие атмосферы могут существовать на предприятиях по очистке сточных вод и на бумажных фабриках .

На позолоченных поверхностях наблюдались усы длиной более 20 мкм, которые были отмечены во внутреннем меморандуме НАСА в 2003 году. [11]

Последствия высыхания металла были зафиксированы в программе «Engineering Disasters 19» History Channel .

Смягчение и устранение [ править ]

Несколько подходов используются для уменьшения или устранения роста усов при продолжающихся исследованиях в этой области.

Конформные покрытия [ править ]

Конформные составные покрытия не позволяют усам проникать через барьер и достигать ближайшего конца и образовывать короткое замыкание. К ним относятся барьеры из керамического или полимерного компаунда. Полимерные соединения имеют тенденцию отклонять усы, в то время как химический состав керамики предотвращает прокалывание покрытия. [12]

Изменение химического состава покрытия [ править ]

В контролируемых испытаниях было показано, что отделочные покрытия из никеля, золота или палладия устраняют образование усов. [12] [13]

Примеры и инциденты с оловянными усами [ править ]

Galaxy IV [ править ]

Galaxy IV был телекоммуникационным спутником, который был отключен и потерян из-за короткого замыкания, вызванного оловянными усами в 1998 году. Первоначально считалось, что космическая погода способствовала отказу, но позже было обнаружено, что конформное покрытие было нанесено неправильно, что позволило сформировать усы. в чистом оловянном покрытии, чтобы пробиться через недостающую область покрытия, что приведет к отказу главного управляющего компьютера. Производитель, Hughes, перешел на никелирование, а не на олово, чтобы снизить риск роста усов. Компромиссом стало увеличение веса, добавление от 50 до 100 килограммов (от 110 до 220 фунтов) на полезную нагрузку. [14]

Атомная электростанция Миллстоун [ править ]

17 апреля 2005 г. Атомная электростанция Миллстоун в Коннектикуте была остановлена ​​из-за «ложной тревоги», которая указала на небезопасный перепад давления в паровой системе реактора, когда давление пара было фактически номинальным. Ложная тревога была вызвана оловянным усом, который закоротил материнскую плату, которая отвечала за мониторинг линий давления пара на электростанции. [15]

Ложное срабатывание датчиков положения акселератора Toyota [ править ]

В сентябре 2011 года трое исследователей НАСА заявили, что оловянные усы, обнаруженные ими на датчиках положения акселератора [16] отобранных моделей Toyota Camry, могут способствовать сбоям «заедания акселератора», которые случались с некоторыми моделями Toyota в 2005–2010 годах. [17] Это противоречит более раннему 10-месячному совместному расследованию Национального управления безопасности дорожного движения (NHTSA) и большой группы других исследователей НАСА, которые не обнаружили никаких электронных дефектов. [18]

Однако в 2012 году НАБДД заявило: «Мы не считаем, что оловянные усы являются правдоподобным объяснением этих инцидентов ... [вероятной причиной было] неправильное нажатие педали ». [19]

Toyota также утверждает, что оловянные усы не были причиной каких-либо проблем с заеданием акселератора: «По словам министра транспорта США Рэя Лахуда, приговор вынесен. Электронных причин для непреднамеренного ускорения на высокой скорости у Toyota нет. . ' "Согласно пресс - релизу Toyota,„нет данных указывает на то, что олово усов более склонны к произойти в автомобилях Toyota , чем любой другой автомобиль на рынке“. Toyota также заявляет, что «их системы в первую очередь предназначены для снижения риска образования усов из олова». [20]

См. Также [ править ]

  • Монокристаллический ус
  • Дендрит (металл)
  • Рост кристаллов
  • Золото-алюминий интерметаллид
  • Примесь

Ссылки [ править ]

  1. ^ Людмила Панащенко. «Металлические покрытия, устойчивые к образованию усов» (PDF) . НЭПП НАСА . Проверено 23 октября 2013 года .
  2. ^ Крейг Хиллман; Грегг Киттлсен и Рэнди Шуэллер. «Новый (лучший) подход к смягчению воздействия оловянных усов» (PDF) . Решения DFR . Проверено 23 октября 2013 года .
  3. ^ Сун, Юн; Хоффман, Элизабет Н .; Лам, Пох-Санг; Ли, Сяодун (2011). «Оценка эволюции локальной деформации от образования металлических усов» . Scripta Materialia . 65 (5): 388–391. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2011.05.007 .
  4. ^ Джордж Т. Галион. «История теории оловянных усов: с 1946 по 2004 год» (PDF) . iNEMI . Проверено 21 декабря 2012 года .
  5. ^ "Эффект усов" . ИНЭЛКО . Проверено 5 января 2011 года .
  6. ^ "Цинковые усы, вызванные отказами в электронных системах" . ERA Technology. Архивировано из оригинального 16 января 2013 года . Проверено 21 декабря 2012 года .
  7. ^ «Отчет об уведомлении о событии за 12 июля 1999 г.» . Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 21 декабря 2012 года .
  8. ^ «Тема ITG: оловянные усы - проблема, причины и решения» . Управление по контролю за продуктами и лекарствами. 1986-03-14. Архивировано из оригинального 18 октября 2007 года . Проверено 21 декабря 2012 года .
  9. ^ Джей Брюсс; Хеннинг Лейдекер; Людмила Панащенко (5 декабря 2007 г.). «Металлические усы: режимы отказов и стратегии смягчения» (PDF) . НАСА . Проверено 21 декабря 2012 года .
  10. ^ "Стандарт приемочных испытаний оловянных усов, выпущенный JEDEC и IPC, и руководство по смягчению последствий" . JEDEC.org . 4 мая 2006 . Проверено 5 января 2011 года .
  11. ^ Александр Teverovsky (апрель 2003). «Знакомство с новым членом семьи: золотые бакенбарды» (PDF) . НАСА . Проверено 21 декабря 2012 года .
  12. ^ a b Джон Берк (сентябрь 2010 г.). «Убраны оловянные усы» .
  13. ^ Кеун-Су Ким, Сук-Сик Ким, Сонг-Джун Ким, Катусаки Суганума, ISIR, Университет Осаки, Масанобу Цуджимото, Исаму Янад, C. Uyemura & Co., Ltd., Предотвращение образования усов Sn путем обработки поверхности Sn покрытие Часть II , Ежегодное собрание TMS, 2008 г.
  14. ^ Фелпс, Брюс. « Причиной выхода из строя спутника из-за « усов »: отказ Галактики IV обвинили в межзвездном феномене» . Архивировано из оригинала 3 марта 2009 года . Проверено 19 октября 2019 года .
  15. ^ "Реактор Shutdown: Dominion Учится Большой урок из крошечного 'олова Whisker ' " (PDF) .
  16. ^ «Трактат» (PDF) . nepp.nasa.gov .
  17. ^ Bunkley, Ник (27 марта 2018). «Toyota выпускает второй отзыв по ускорителям» . NYTimes.com .
  18. ^ "Исследование NHTSA-NASA непреднамеренного ускорения в автомобилях Toyota" . НАБДД . Проверено 14 ноября 2014 года .
  19. ^ «NHTSA отвергает теорию« оловянных усов »для непреднамеренных инцидентов с ускорением Toyota» . Автомобильные новости . Проверено 14 ноября 2014 года .
  20. ^ « « Оловянные усы »и другие опровергнутые теории непреднамеренного ускорения» . Toyota. 24 января 2012 . Проверено 29 сентября 2019 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Изображения серебряных усов НАСА