Магистр Георгий
Главный инженер компании ProSMD
В последние десятилетия мир электроники претерпел значительные изменения, связанные с внедрением новых технологий, и требований, направленных на защиту окружающей среды и здоровье человека.
Суть стандарта RoHS, входящие вещества
Одним из важнейших шагов в этом направлении стало принятие директивы со сложнопроизносимой аббревиатурой RoHS (Restriction of Hazardous Substances), которая ограничивает использование опасных веществ, таких как ртуть, кадмий, шестивалентный хром, бутилфталаты, полибромированные дифениловые эфиры (PBDE) и полибромированные трифенилы (PBB), и что интересует нас больше всего – свинец. В первую очередь, ограничение на использование свинца сделало директиву частым гостем на языках электронщиков, до этого знакомых лишь с жалом паяльника и безводным этанолом (исключительно для обезжиривания контактов, конечно же).
Список пострадавших
Но не только электронному производству европейцы подкинули синевласую бодипозитивную свинью: бромфенилы служили добавками в пластик, предотвращающими горение, бутилфталаты – отличный пластификатор, антикомариный репеллент и просто активный участник промышленного органического синтеза, а уж для перечисления всех применений хрома и ртути – от безотказных детекторов радиации, до ракетного топлива – не хватило бы пальцев на руках всех припятчан, которым данная тема, тоже, безусловно близка.
Однако, именно свинец интересует нас с вами, коллеги, в первую очередь – со времен Римской империи он прославлен, как важнейший компонент припоев, и остается таковым поныне. Там, где нет свинца, также как и там, где нет женщин, приходится прибегать к разнообразным сомнительным и, зачастую, дорогостоящим ухищрениям. Но жители Норильска, Омска и Череповца, как законопослушные члены мирового сообщества, смиренно козыряют: «Спасибо, Герр Еврокомиссар», и паяют чистым оловом.
Представьте себе, что внутри ваших приборов поселились монстры с тентаклями, которым нравится коротить схемы и сжигать компоненты. Представили? Это не выдумка, они уже здесь - это бессвинцовое оловянное покрытие.
Что же такое оловянные усы в электронике?
Как? Чистое олово способно выпускать щупальца – их называют «оловянные усы» или «вискеры». Тонкие до невидимости – 1-10 мкм, и длинные – до 10 мм, они стремительно вырастают из любого участка с чистым оловом, будь то покрытие компонентов или лужение на плате, и, ориентируемые электрическим полем, жадно присасываются к соседним проводникам, вызывая замыкания, которые провоцируют то необъяснимые неполадки, то фатальные поломки. Типичные усы выдерживают ток порядка 10мА, создавая постоянное соединение и разрушаются при более высоком значении, успевая, однако, стукнуть в цепь коротким импульсом. В низкоточной цепи они могут годами изводить вас глюками неизвестной природы, то отрастая, то оплавляясь. Если же мощности достаточно – при замыкании усик превращается в плазму, вызывающую каскад отказов. Неприятно уронить сигарету и прожечь брюки, но более досадно уронить ее на промасленную ветошь на складе с горючим.
Почему это происходит?
Достоверно установлено, что при 13,2°C олово вдруг решает сменить свою тетрагональную β-фазу на кубическую α-фазу, разрушая макроскопическую структуру вплоть до состояния мелкого порошка, и скорость процесса стремительно растет с понижением температуры, причем кубическая фаза, контактируя даже при более высокой температуре с нормальным оловом, вызывает в нем превращение. Процесс сопровождается разрастанием по поверхности металла усыхающих язв, почему явление и получило название оловянной чумы.
Известная с глубокой древности, чума была описана еще Аристотелем. Согласно историческим байкам, она явилась одной из причин поражения Наполеоновской армии в России. Будто бы на морозе пуговицы, ложки, кружки превратились в серый порошок. Доказанным считается, что ненадёжность оловянной пайки стала одной из причин неудачи экспедиции Роберта Скотта на Южный полюс. В письме, написанном в солнечном -70-градусном марте 1912 года Скотт обращается к своей вдове: " ...Я думаю, что шансов нет. Мы решили не убивать себя, и бороться до конца, чтобы добраться до лагеря. Смерть в борьбе безболезненна, так что не волнуйся за меня."
Зараза не искоренена и поныне, возникая повсеместно с коварной непредсказуемостью. Как сварливая жена, аллотропия олова может превратить спокойную жизнь в катастрофу в одно мгновение по самому невообразимому поводу. Тут не только понижение температуры, но и контакт с катализаторами, в числе которых соединения ртути, диффундировавшие ионы меди и даже собственная оксидная пленка, а еще ионизирующее излучение, вибрация, влажность. Невозможно предсказать, когда объявится проблема, документированы случаи замыканий и через 5 дней, и через 5 лет. Вот так, творя «добро» чужими руками, евробюрократы по локоть обагрили в крови свои собственные.
Едва ли можно посчитать, сколько зависаний, спонтанных перезагрузок и потерь данных было вызвано одними только кратковременными замыканиями, но даже на бытовой технике и персональных компьютерах оловянные усы являются основным поставщиком неполадок. Божьей милостью, в России, несмотря на холод, зараза приживается плохо, а вот на ее родине сполна хлебнули из кубка благих намерений. Так, например, в 2006 году компания SWATCH понесла неразглашаемые убытки, будучи вынуждена отозвать у дилеров партии часов общей стоимостью $1 млрд! И ущерб не ограничивается деньгами:
С 1975 по 1989 количество сбоев в КАРДИОСТИМУЛЯТОРАХ, вызванных усами, непрерывно росло, пока этим наконец не озаботились регулирующие органы, но проблема полностью не разрешилась ДО СИХ ПОР
Отказы на атомных станциях: АЭС Дрездена, АЭС Саус-Тексас, АЭС Миллстоун
Отключения спутников коммуникации: PAS-4, DirecTV 3, SOLIDARIDAD, GALAXY IV
Ошибки наведения ракет Феникс и Пэтриот – действительно, пятисоткилограммовая ракета на перхлоратном топливе, это же так экологично, зачем портить ее свинцовым припоем
И это только самые вопиющие случаи из тех, что повлекли расследования и просочились в открытый доступ.
Проблема, как описано, серьезная. Не просто серьезная – пугающая. И если чем паять, иногда мы все же выбираем сами, то купить некоторые компоненты не в бессвинцовом исполнении невозможно. Остается только искать пути минимизации рисков. О существующих решениях я расскажу в следующих публикациях.
Коллеги, мы с вами знаем, что оловянная чума и рост усов - соответственно аллотропный переход и миграция вещества есть явления различной природы. Однако, оба они обусловлены конфигурацией электронной оболочки, и оба характерны для чистого олова, которое много где внедрялось вместо нормального припоя.
Список литературы
Бойкова А. В., Усова А. В. Разработка инженерных сетей в Autodesk Revit // ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: АКТУАЛЬНЫЕ. – 2020. – С. 59. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_43043558_56562478.pdf#page=59
Гераничев В. Н. Разработка и исследование методов повышения эффективности производства электронных модулей при мелкосерийном производстве : дис. – С.-Петерб. нац. исслед. ун-т информац. технологий, механики и оптики, 2012.
Гребенщиков П. Долговременное хранение и консервация ЭКБ в АО «ТЕСТПРИБОР» // Технологии в электронной промышленности. – 2018. – №. 6. – С. 38-40. URL: https://www.electronics.ru/files/article_pdf/7/article_7056_230.pdf
Дием Р. и др. БЕССВИНЦОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО—КОМПОНЕНТЫ И ПОКРЫТИЯ // Производство электроники. – 2006. – №. 2. – С. 41. URL: https://alflash.com.ua/avtovideo/labor/pdf/pbf_components.pdf
Ивин В., Иванов Н. Инновационная технология поверхностного монтажа ЭКБ в бессвинцовом исполнении с применением оловянно-свинцовых припойных паст // Электроника: Наука, технология, бизнес. – 2013. – №. S. – С. 108-113.
Ильин В. А. Технология изготовления печатных плат. – Машиностроение, 1984.
Ланин В. Л., Емельянов В. А. Электромонтажные соединения в электронике: технология, оборудование, контроль качества. – 2013.
Медведев А., Новиков А. Форум по бессвинцовым технологиям пайки // Технологии в электронной промышленности. – 2007. – №. 4. – С. 48-54.
Василец В. К., Кузьмар И. И. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЛИЗА НА ОБРАЗОВАНИЕ" УСОВ" В ПОКРЫТИЯХ НА ОСНОВЕ ОЛОВА // СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОТЕХНИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ" РТ-2015". – 2015. – С. 200-200. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28229575
Дием Р. и др. БЕССВИНЦОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО—КОМПОНЕНТЫ И ПОКРЫТИЯ // Производство электроники. – 2006. – №. 2. – С. 41. URL: https://alflash.com.ua/avtovideo/labor/pdf/pbf_components.pdf
Косенко С. А., Акимов С. С. ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ НА ПОЛИГОНЕ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2017. №3 (42). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/prichiny-otkazov-elementov-zheleznodorozhnogo-puti-na-poligone-zapadno-sibirskoy-zheleznoy-dorogi
Любченко Александр Александрович, Разумный Станислав Григорьевич, Никитин Иван Михайлович Анализ отказов оборудования систем технологической радиосвязи // Известия Транссиба. 2013. №2 (14). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-otkazov-oborudovaniya-sistem-tehnologicheskoy-radiosvyazi
Мишанов Р. О. Исследование признаков, видов, причин и механизмов отказов микросхем, выполненных по КМОП-технологии // НиКа. 2017. №. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-priznakov-vidov-prichin-i-mehanizmov-otkazov-mikroshem-vypolnennyh-po-kmop-tehnologii
