reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© AMB Technic Technologie | 03 lipca 2015

Dendryty w elektronice

Czym jest dendryt? Pojęcie to możemy spotkać w wielu dziedzinach nauki: metalurgii, biologii, krystalografii. Wywodzi się z greckiego słowa „déndron”, czyli drzewo.
Dziś jednak poruszymy kwestię dendrytów spotykanych w elektronice: czym są i skąd się biorą? Dendryty tworzą się na skutek migracji elektrochemicznej, czyli ruchu jonów pomiędzy metalowymi częściami, które mają różny potencjał elektryczny przy obecności elektrolitu (np. wody). Ich rozwojowi sprzyja obecność jonów występujących w zanieczyszczenia pozostałych na płytce po wcześniejszych procesach, np. fluxach, resztkach past lutowniczych, czy odciskach palców. Jony pewnych metali migrują łatwo, np. srebra, cyny i miedzi, innych natomiast nie migrują (złoto, platyna). Szybkość migracji wzrasta wraz z temperaturą. Jest również wprost proporcjonalna do odległości pomiędzy elektrodami. W zależności od warunków, uszkodzenie (zwarcie) może nastąpić nawet w czasie krótszym niż 30 minut, lub też może nastąpić po kilku miesiącach, czy nawet latach.

Aby powstał dendryt muszą wystąpić trzy czynniki, jednocześnie:
  • metal, którego jony migrują,
  • różnica napięć,
  • elektrolit (woda, kawa, cola, piwo, wino, itp.).
Innymi słowy, jeśli zabraknie któregoś z tych czynników, dendryty nie powstaną.

Dzisiaj światowym standardem jest używanie past lutowniczych zawierających stopy Cyny (Sn) i srebra (Ag) i dla masowej produkcji nie ma alternatywnych rozwiązań. Dyrektywa RoHS, która weszła w życie 1 lipca 2006 roku zakazuje używania past zawierających ołów. Niektórzy producenci, tacy jak Sony Ericsson i Nokia zaczęli używać takich past dużo wcześniej (2000-2004).

Conformal coating i underfiling jako metody zabezpieczania się przed dendrytami

Jak więc zapobiegać powstawaniu dendrytów? Odpowiedź jest prosta, trzeba wyeliminować któryś z trzech czynników.

Prąd? Cóż urządzenie elektroniczne bez zasilania to nie jest dobry pomysł. Metal? Samego metalu też nie wyeliminujemy, a wszystkich elementów ze złota też nie możemy wykonać. Lepiej zainwestować w złoto, ponoć to dobra inwestycja. Pozostaje więc elektrolit – płyn lub też opary tej cieczy – para może bowiem się skroplić. W instrukcjach obsługi niektórych urządzeń są zawarte uwagi, by przy przenoszeniu urządzeń z pomieszczeń o różnych temperaturach odczekać by wilgoć mogła odparować. Ale kto czyta instrukcje?

Zadziwiające jest to jak niewielu inżynierów zdaje sobie sprawę, że kondensacja pary wodnej może wystąpić również wewnątrz obudowy urządzenia elektronicznego, nawet jeśli obudowa ta wydaje się szczelna. Czasem możemy zamknąć urządzenie w hermetycznej obudowie, ale nie zawsze jest to możliwe. Szczególnie, jeśli ma różne złącza wyprowadzone na zewnątrz, jak np. złącza kart SD, USB, głośniki, mikrofony, itd. Z doświadczenia wiem, że złącza zapewniające szczelność są drogie.

Rozwiązaniem jest wtedy conformal coating lub underfiling. Underfiling, oprócz tego że zabezpiecza układy przed uszkodzeniami mechanicznymi i poprawia odprowadzanie ciepła z układu, zabezpiecza układ przed wpływem wilgoci i zapobiega powstawaniu dendrytów. Conformal coating jak wiemy zabezpiecza płytkę przed różnymi czynnikami: wilgocią, temperaturą, agresywnymi gazami, wibracjami, korozją oraz przed dendrytami. Czemu więc nie wyeliminować wszystkich tych zagrożeń w jednym procesie!

Ważną kwestią w przypadku conformal coatingu jest materiał jakiego użyjemy. Nie wszyscy zdajemy sobie sprawę, że silikony są paroprzepuszczalne. Nie gwarantują nam więc dobrego zabezpieczenia przed dendrytami. Oczywiście powłoka silikonowa spowolni cały proces, ale para wodna ma szansę dostać się do powierzchni płytki. Gdy się skropli, może zapoczątkować proces rozrostu dendrytów, którego nikt się nie spodziewa. Przecież polakierowaliśmy płytkę! Dużo lepsze zabezpieczenie dają inne materiały, np. akryle, poliuretany.

Jeśli jednak ktoś upierałby się przy silikonach, to istnieją obecnie alternatywne materiały – gumy syntetyczne. W przeciwieństwie do silikonów można je aplikować za pomocą zaworów kurtynowych lub też zaworów typu „jet”.

Ważną jest też kwestia adhezji powłok do płytki i komponentów. Jak wiadomo płytka może być zanieczyszczona pozostałościami poprzednich procesów. O ile materiały rozpuszczalnikowe rozpuszczają zanieczyszczenia, pozostałe jednak muszą mieć czystą i dobrze zwilżalną powierzchnię by adhezja była dobra. Mycie usunie nam widoczne zabrudzenia, ale co z zabrudzeniami których nie widać?

Usuwanie zanieczyszczeń

Mycie płytek nie usuwa wszystkich zanieczyszczeń, istnieje zagrożenie że pozostaną mikro (lub też nano) zabrudzenia. Do usuwania takich zabrudzeń pomocna może być plazma. Ktoś powie zaraz że plazma zniszczy nam delikatne komponenty. Moja odpowiedź brzmi: NIE! Nie, jeśli użyjemy plazmy atmosferycznej niskociśnieniowej ze specjalną głowicą do czyszczenia i aktywowania elektroniki.

Plazma ta nie wytwarza potencjału elektrycznego, jest więc bezpieczna dla elektroniki. Nie musimy się też obawiać temperatury, mimo że plazma opuszczająca głowicę ma temperaturę od 100 ºC do 300 ºC komponenty przy właściwie dobranych parametrach nie nagrzewają się bardziej niż o 20 ºC. Jej oddziaływanie ogranicza się do wierzchniej warstwy, mówimy to wielkościach rzędu kilku nanometrów.

Przypomnę przy okazji czym jest plazma, plazma jest czwartym stanem skupienia. Jest to silnie zjonizowany gaz, w tym przypadku – powietrze. Jony o wysokiej energii kinetycznej uderzają powierzchnię niemal z prędkością dźwięku (ok. 300 m/s, prędkość dźwięku na poziomie morza wynosi ok. 340 m/s), powodując trzy efekty. Pierwszy to rozbijanie niewielkich zanieczyszczeń organicznych na cząsteczki, które ulatniają się poprzez system wyciągu. Dzięki temu unikamy ryzyka że pomiędzy pokryciem a komponentami pozostaną zabrudzenia. Drugim efektem jest aktywacja powierzchni, zjonizowane powietrze tworzące plazmę zawiera duża ilość aktywnych jonów tlenu, które aktywują powierzchnię zarówno fizycznie jak i chemicznie. Zwiększają bowiem napięcie powierzchniowe i czynią powierzchnię aktywną chemicznie, przez co lakier lepiej przylega do powierzchni. Trzecim jest usuwanie ładunków elektrycznych już zgromadzonych na płytce. I wszystko to przy prędkościach liniowych nawet do 100 m/min. Plazmę możemy równie dobrze stosować po montażu w celu przygotowania powierzchni pod lakierowanie, jak i przed nakładaniem pasty lutowniczej czy kleju SMA.

Aktywacja i czyszczenie elektroniki za pomocą plazmy oprócz wysokiej jakości oferuje nam również możliwość kontrolowania i monitorowania parametrów zgodnie z normą ISO 9000, co jest szczególnie ważne, np. w przemyśle motoryzacyjnym.



Dendryty to nie whiskersy

Dendryty często są mylone z whiskersami. Są to jednak dwa różne zjawiska. Whiskers jest to krystaliczna struktura która wyrasta z powierzchni cyny lub cynku (również innych metali) jak „włos”. Zazwyczaj nie przekraczają kilku mikronów średnicy i jednego milimetra długości, chociaż rekordziści dorastają do 25 mm. Czas powstawania takiego whiskersa może być liczony w dniach jak również w latach. Pierwsza publikacja dotycząca whiskersów pojawiła się już w latach 40 ubiegłego wieku i dziś wiemy już że są one wynikiem naprężeń wewnętrznych metali. Whiskersy mogą powodować awarię urządzeń elektronicznych podobnie jak dendryty, doprowadzając do zwarcia.

Jak więc zabezpieczyć się przed whiskersami? Możemy postarać się zmniejszyć naprężenia, np. przez wyżarzanie. Możemy również stworzyć fizyczną barierę, by uniknąć potencjalnych zwarć. Taką barierą może być powłoka konforemna (conformal coating), lub też możemy zwiększyć odległość (do 10-15 mm) pomiędzy powierzchniami o różnych potencjałach. To ostatnie rozwiązanie w dobie miniaturyzacji jest raczej nie realne. Ryzyko powstania whiskers’ów zmniejsza użycie zamiast czystej cyny lub cynku, stopów tych metali. Należy jednak pamiętać że żadna z tych metod nie uchroni nas przed powstawaniem whiskersów! Zmniejszają one tylko prawdopodobieństwo uszkodzenia urządzenia.

Cóż więc daje nam conformal coating w walce z whiskersami? Zmniejsza prędkość rozrostu whiskersów, jak również ryzyko powstania zwarcia oddalonych przewodów. Im grubsza powłoka tym prawdopodobieństwo penetracji przez whiskersy mniejsze. NASA przeprowadziła test w którym obserwowała rozrost whiskersów na powierzchni cyny pokrytej warstwą lakieru poliuretanowego o grubości ok. 50 μm. Po 11 latach przechowywania w warunkach biurowych, żaden whiskers nie przebił warstwy lakieru. Whiskersy uniosły w kilku miejsca lakier tworzą „namiot”, siły kohezji lakieru okazały się większe niż adhezja lakieru do podłoża. Różne testy dowiodły że dopiero pokrycia o grubości powyżej 50-100 μm gwarantują że whiskersy się nie przebiją. Choć niektóre źródła podają, że powinno to być 200-300 mikrometrów.

Wszyscy pamiętamy problemy z pedałem gazu w Toyotach, właśnie to whiskersy były odpowiedzialne za te awarie. Wiemy więc, że nie jest to zjawisko, które możemy zlekceważyć. Jest to sytuacja która może spotkać każdego z nas. Warto więc pamiętać o zagrożeniu już w trakcie projektowania układów, jak i podczas procesu produkcyjnego.

Podsumowanie

Na jednej z prezentacji dotyczącej conformal coatingu, pokazujemy rozrost dendrytów w czasie rzeczywistym. Trwa to zaledwie kilkanaście sekund. Wszyscy dziwią się że ten proces może być tak szybki! Warto więc zastanowić się czy moje płytki są w wystarczający sposób zabezpieczone? Co jeśli za dwa miesiące pojawią się na nich dendryty lub whiskersy? Kto poniesie koszty wymiany? Jeśli lakieruję ręcznie skąd mam pewność że grubość warstwy jest wystarczająca?

Mam nadzieję, że udało mi się przybliżyć zagrożenia jakie niosą ze sobą dendryty i whiskersy, przyczyny ich powstawania oraz metody zabezpieczania przed ich występowaniem.

Grzegorz Szypulski
Artykuł został umieszczony dzięki uprzejmości firmy © AMB Technic. Więcej informacji na stronie firmy.
reklama
reklama
Artykuły, które mogą Cię zainteresować
Załaduj więcej newsów
December 08 2016 23:17 V7.6.3-1