Причина отказа - «усы» олова. Практика ремонта.

Современные технологии изготовления различного вида печатных плат и безсвинцовые технологии пайки не только экологичны и эффективны, но они (в определенных условиях) порождают ряд явлений, приводящих к отказам.  «Усы» олова — это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате, являются причиной возникновения отказов электронных схем из-за замыканий между контактами и проводниками. Общеизвестен факт, что отрицательное воздействие внешней среды непосредственно сказывается на показателях надежности печатных узлов и сборок выполненных по современным технологиям.

Достаточно часто, в разговорах со специалистами по ремонту персональных компьютеров, можно услышать: «пропаял контакты микросхем, разъемов неисправной платы и она заработала, неисправность исчезла». Обычно такое «волшебство» пропайки объясняют плохим качеством паяного соединения, но действительно ли это так? Есть и более реальное объяснение. До недавнего времени при пайке использовали свинец и сплавы на его основе, которые имеют низкую температуру плавления, но к сожалению, сви­нец является токсичным металлом. Из экологических соображений содержащие свинец припои активно вытесня­ются с рынка постановлениями исполнительной вла­сти ЕС, которые оказывают сильное давление на производи­телей. Широко применяющиеся оловянно-свинцовые припои, состоящие из свинца и олова в приблизи­тельной пропорции 40% свинца и 60% олова, обла­дают хорошей эвтектикой, но несмотря на это мы должны иметь в виду, что, нравится нам это или нет, мы уже сталкиваемся с необходимостью паять безсвинцовыми сплавами. Евросоюз принял директиву 2002/95/ЕС RoHS (Restriction of Hazardous Substances – запрет вредных веществ). Согласно этому документу, с 1 июля 2006 года начали  действовать ограничения на использование в промышленной электронной продукции и в новой электронной технике некоторых химических материалов, опасных для здоровья и окружающей среды. Среди прочих, действие директивы распространяется и на соединения свинца. Таким образом, запрещается использование свинцовосодержащих припоев.

При ра­боте с безсвинцовыми припоями возникает ряд проблем, которые связаны с физическими их свойствами. Поэтому паяльные станции должны быть специально адаптированы для работы с новыми припоями.  Рассмотрим основные проблемы, которые могут возникнуть при пайке безсвинцовыми припоями:

 - более высокая температура плавления пайки мо­жет повредить электронные компоненты, содержащие пластмассу, могут получить термический «шок» и  сами компоненты;

 - может возникнуть деформация печатных плат;

 - будет наблюдаться слабая увлажненность и растекание в связи с возрастающим эффектом окисления поверхности;

 - появится необходимость использования более активных (и коррозийных) флюсов;

 - возможно появление перемычек и замыканий;

 - вследствие более высокой температуры пайки будет наблюдаться сильное разбрызгивание флюса;

 - увеличится время создания качественной пай­ки (контакта);

 - вид паяного контакта будет более  тусклым;

 - снизится ресурс нормальной работы паяльных головок;

 - потребуется изменить стиль работы монтажников.

Итак, возможно появление перемычек и замыканий сильное разбрызгивание флюса. Перемычки и замыкания возникают в виде «усов» олова (это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате). Эти таинственные проростки бы­ли виноваты в серьезнейших отказах электроники (рис. 1).

Рис. 1.

 В США исполь­зование припоя без свинца не сделано обязатель­ным, но государство предлагает за это налоговые льготы. Но олово без укрощающего его свинца ведет себя непредсказуемо. Оловянное покрытие без добавок, как и кадмий и цинк, спонтанно образует кристал­лы металла диаметром около 1-5 мкм и менее одной десятой толщины человеческого волоса, которые про­талкиваются от основания вверх. Если они растут до­статочно близко для того, чтобы прикоснуться к дру­гому токопроводящему объекту, то вызовут корот­кое замыкание, которое может повредить аппаратуру.

Меха­низм образования «усов» теперь стал достаточно понятным — это происходит за счет напряжения сжатия, обусловленного, скажем, диффузией меди в олово. При встраивании в слой олова медь проби­вается через барьерный слой оксида олова. Критики ссылаются на сообщения о том, что компоненты припоя, такие как олово, олово-цинк, олово-серебро-медь, просто не способны заменить свинец в припое по надежности, укрывистости (смачиваемо­сти контактных площадок) и стоимости. Поэтому военная, военно-морская, медицинская и исследовательская аппаратура освобождены от того, что считается не заслуживающим доверия. Кроме того отдельные отрасли науки и техники еще используют олово-свинец так как он работает лучше. Идет разговор о возмож­ности компромиссов «по стоимости, материалам, прочности припоя и пр.» во время предписанного перехода, а также то, что изготовите­ли должны приобрести «базовый опыт» использования новых тех­нологий.

Какие же меры и технологии могут устранить образование «усов»?

Применение матового финишного покрытия, устранение загряз­нителей из припоя и с поверхностей, снижение механических на­пряжений в паяемых компонентах — все это ослабляет рост «усов». Однако ряд специалистов в области пайки и печатных плат, за­явили, что «никакое определенное решение этой проблемы» не най­дено до сих пор. Национальный Центр по изготовлению высококачественной элек­троники, финансируемый ВМФ США, установил, что термостабили­зация паяных соединений и их хранение позволяет уменьшать обра­зование «усов», но все же его специалисты рекомендуют «применение свинца вопреки будущей производственной практике». 

Что способствует появлению «усов»? Оказывается, что они могут расти при температуре и влажности окружающей сре­ды или в вакууме, а также при постоянных или изменяющихся тем­пературах (хотя варьирование температуры может способствовать их росту). Кончики «усов» соразмерны атому. За достаточное время они про­толкнутся через любое покрытие. Они являются преобладающей при­чиной (лишь недавно обнаруженной) многих отказов аппаратуры в прошлом. Один «усик» может пропускать около 30 мА — что более чем достаточно для повреждения цифровых схем.

Припой серебро-олово-медь (SAC) замедляет, но не прекращает рост «усов». Но припой SAC оказывает на окружающую среду большее вли­яние, чем вариант олово-свинец (известный припой — 37% свинца, 63% олова — в отличие от SAC только деформируется, что снижает механические на­пряжения, а значит, сводит к минимуму образование «усов»).       

Свыше 80% от всех радиоэлектронных компонентов производится в Азии, но технические требования к ним разрабатываются в фирмах — обладателях торговой марки продукции. Проверка десяти из­готовителей по вопросу проблемы образо­вания «усов» показала, что только один человек из лиц, ответственных за тех­ническое обеспечение в этих фирмах, ничего не знал об этом. И только компания Apple открыто заявила, что с 2004 года они без проблем используют припои, не содержа­щие свинец. Видимо, производственники не имеют еще достаточной базы или, может быть, отказ техники из-за наличия «усов» не регис­трируется в качестве проблемы. Многие потребители, вероятно, от­несут дефектные устройства на счет своего собственного невезения, когда в реальности причиной могут быть микроскопические «усики» внутри их машин.

В общем и целом, было ли разумно отказываться от свинца? Некоторые специалисты говоря - нет, более ранний моральный износ вле­чет за собой и больше отбракованных изделий. Критики утверждают, что заменители свинца более токсичны и энергоемки, чем свинец, и что свинец не выщелачивается из схемных плат, так как он не мигрирует подобно свинцу, содержащемуся в краске или бензине. Ряд крупных компаний после своих дорогостоящих возвратов добились постоянного освобождения от необходимости соблюдать директи­ву RoHS для изделий, идущих на экспорт в страны ЕС.

Вероятно, скоро появятся надежные технологии, свободные от свин­ца, хотя специалисты в этом сомневаются. Говорят, что такие компа­нии, как IBM и National Instruments, сейчас уже имеют технологии, со­ответствующие требованиям RoHS даже для освобожденных от них изделий.

Такие компа­нии, как IBM и National Instruments, уже сейчас имеют технологии, со­ответствующие требованиям RoHS,  но для многих фирм проблема «усов» пока остается открытой.

Как же избежать дефектов при ручной пайке компонентов, выполненных по бессвинцовой технологии? В самое ближайшее время крупные фирмы-производители интегральных микросхем - Texas Instruments, AMD, Fairchild Semiconductor, Philips и многие другие планируют полностью перейти на бессвинцовые технологии. Так же поступят и производители дискретных полупроводников и пассивных компонентов (ON Semiconductors, Vishay, Samsung Electr-Mechanic). Компоненты, выполненные по традиционной технологии, будут доступны только под заказ. В связи с этим, использование компонентов, не содержащих свинца во всей выпускаемой продукции – это вопрос ближайшего времени для всех производителей электроники. В обозримом будущем данная проблема рано или поздно коснется и всех остальных. Существует мнение о том, что компоненты, не содержащие свинца, требуют особых технологий ручной пайки. Такая точка зрения распространена и среди разработчиков, производителей электронной техники и специалистов, занимающихся ремонтом. Все ведущие производители единодушны в том, что большинство Pb-free компонентов полностью совместимы со стандартными технологиями ручной пайки оловянно-свинцовыми припоями. Совместимость с требованиями RoHS, так же как и знак «Pb-free» не означают, что элемент необходимо паять обязательно бессвинцовым припоем. Но в процессе пайки необходимо предотвратить термодиструкцию электронных компонентов (эта неприятность может возникнуть потому, что большинство из «Pb-free» припоев имеют повышенную температуру плавления, которая несовместима с максимальной температурой пайки выбранных компонентов). Специалисты по технологиям пайки и паяльному оборудования утверждают, что если выполнять ряд рекомендаций для ручной пайки (см. далее), то качество пайки и компоненты электронных схем не пострадают. Для ручной пайке, необходимо выбирать паяльные станции, обладающие достаточным запасом мощности, термостабильностью и возможностью поддержания постоянной температуры при работе на более высоких уровнях, необходимых для бессвинцовых материалов. Так как температура плавления бессвинцового припоя выше, чем у свинцовосодержащего, температура жала должна быть примерно 343°C (свинцовый припой требовал 315°C). В таком режиме долговечность традиционных паяльных жал резко снижается и поэтому, в процессе пайки, необходимо использовать насадки, разработанные специально под «Pb-free» пайку. Современные паяльные станции обеспечивают приведенные выше требования, но при работе с бессвинцовыми припоями, для соблюдения необходимых температурных профилей некоторых компонентов, имеет смысл быстрее убирать жало пальника с места пайки. Смачиваемось у бессвинцовых материалов хуже, чем у свинцовосодержащих. Кроме того,  у них хуже окисляемость во время пайки, наблюдается образование кристаллических нитей и пр.. Известно, что чем меньше окислов, тем легче идет процесс пайки, поэтому часто используют пайку в среде азота или используют специальные флюсы. Азот, будучи инертным газом, предохраняет от окисляемости нагреваемые при пайке металлические поверхности. В этом случае требования к флюсу не категоричны, смачиваемость повышается, с припоями легче работать, качество соединений повышается. При ручной пайке в условиях несерийного производства задачу снятия окислов и обеспечения растекаемости припоя, в не меньшей степени выполняет флюс. Это серьезная альтернатива пайке в азотной среде. В процессе пайки необходимо следить за состоянием жала паяльной станции во избежание его окисления. Если применяется «Pb-free» припой, следует более тщательно очищать его и, постоянно держать его полностью покрытым припоем. При работе с «Pb-free» компонентами, их монтаже-демонтаже, на плате смешанного типа необходимо тщательно очищать посадочные места компонентов, во избежание смешивания припоев «Pb-free» и традиционных, так как несоблюдение этой рекомендации, в случае смешивания припоев образуется «холодная» пайка. Становится более актуальным использование оловоотсосов, оплетки для удаления припоев и пр. Так же, следуя вышеприведенному пункту, следует использовать разные жала для пайки «Pb-free» и свинцовосодержащими припоями. С микросхемами в корпусах BGA работа идет сложнее, но ситуацию «спасают» изделия компании «ERSA» выпускающей модернизированные инфракрасные паяльные центры IR550plus. При работе с припоями «Pb-free» и микросхемами BGA, достоинства паяльных центров IR550plus неоспоримы. Они обладают непревзойденная равномерностью локального инфракрасного нагрева, что обеспечивает точную и безопасную (для чувствительных компонентов) отработку термопрофиля. Паяльные центры обеспечивают возможность визуального мониторинга процесса пайки (дополнительная опция – видеосистема PL550A). Система IR550plus универсальна и самодостаточна, она обеспечивает надежную и безопасную работу со сложнопрофильными компонентами.