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

Dendryty w elektronice

Czym jest dendryt? Poj─Öcie to mo┼╝emy spotka─ç w wielu dziedzinach nauki: metalurgii, biologii, krystalografii. Wywodzi si─Ö z greckiego s┼éowa ÔÇ×d├ęndronÔÇŁ, czyli drzewo.
Dzi┼Ť jednak poruszymy kwesti─Ö dendryt├│w spotykanych w elektronice: czym s─ů i sk─ůd si─Ö bior─ů? Dendryty tworz─ů si─Ö na skutek migracji elektrochemicznej, czyli ruchu jon├│w pomi─Ödzy metalowymi cz─Ö┼Ťciami, kt├│re maj─ů r├│┼╝ny potencja┼é elektryczny przy obecno┼Ťci elektrolitu (np. wody). Ich rozwojowi sprzyja obecno┼Ť─ç jon├│w wyst─Öpuj─ůcych w zanieczyszczenia pozosta┼éych na p┼éytce po wcze┼Ťniejszych procesach, np. fluxach, resztkach past lutowniczych, czy odciskach palc├│w. Jony pewnych metali migruj─ů ┼éatwo, np. srebra, cyny i miedzi, innych natomiast nie migruj─ů (z┼éoto, platyna). Szybko┼Ť─ç migracji wzrasta wraz z temperatur─ů. Jest r├│wnie┼╝ wprost proporcjonalna do odleg┼éo┼Ťci pomi─Ödzy elektrodami. W zale┼╝no┼Ťci od warunk├│w, uszkodzenie (zwarcie) mo┼╝e nast─ůpi─ç nawet w czasie kr├│tszym ni┼╝ 30 minut, lub te┼╝ mo┼╝e nast─ůpi─ç po kilku miesi─ůcach, czy nawet latach. Aby powsta┼é dendryt musz─ů wyst─ůpi─ç trzy czynniki, jednocze┼Ťnie:
  • metal, kt├│rego jony migruj─ů,
  • r├│┼╝nica napi─Ö─ç,
  • elektrolit (woda, kawa, cola, piwo, wino, itp.).
Innymi s┼éowy, je┼Ťli zabraknie kt├│rego┼Ť z tych czynnik├│w, dendryty nie powstan─ů. Dzisiaj ┼Ťwiatowym standardem jest u┼╝ywanie past lutowniczych zawieraj─ůcych stopy Cyny (Sn) i srebra (Ag) i dla masowej produkcji nie ma alternatywnych rozwi─ůza┼ä. Dyrektywa RoHS, kt├│ra wesz┼éa w ┼╝ycie 1 lipca 2006 roku zakazuje u┼╝ywania past zawieraj─ůcych o┼é├│w. Niekt├│rzy producenci, tacy jak Sony Ericsson i Nokia zacz─Öli u┼╝ywa─ç takich past du┼╝o wcze┼Ťniej (2000-2004). Conformal coating i underfiling jako metody zabezpieczania si─Ö przed dendrytami Jak wi─Öc zapobiega─ç powstawaniu dendryt├│w? Odpowied┼║ jest prosta, trzeba wyeliminowa─ç kt├│ry┼Ť z trzech czynnik├│w. Pr─ůd? C├│┼╝ urz─ůdzenie elektroniczne bez zasilania to nie jest dobry pomys┼é. Metal? Samego metalu te┼╝ nie wyeliminujemy, a wszystkich element├│w ze z┼éota te┼╝ nie mo┼╝emy wykona─ç. Lepiej zainwestowa─ç w z┼éoto, pono─ç to dobra inwestycja. Pozostaje wi─Öc elektrolit ÔÇô p┼éyn lub te┼╝ opary tej cieczy ÔÇô para mo┼╝e bowiem si─Ö skropli─ç. W instrukcjach obs┼éugi niekt├│rych urz─ůdze┼ä s─ů zawarte uwagi, by przy przenoszeniu urz─ůdze┼ä z pomieszcze┼ä o r├│┼╝nych temperaturach odczeka─ç by wilgo─ç mog┼éa odparowa─ç. Ale kto czyta instrukcje? Zadziwiaj─ůce jest to jak niewielu in┼╝ynier├│w zdaje sobie spraw─Ö, ┼╝e kondensacja pary wodnej mo┼╝e wyst─ůpi─ç r├│wnie┼╝ wewn─ůtrz obudowy urz─ůdzenia elektronicznego, nawet je┼Ťli obudowa ta wydaje si─Ö szczelna. Czasem mo┼╝emy zamkn─ů─ç urz─ůdzenie w hermetycznej obudowie, ale nie zawsze jest to mo┼╝liwe. Szczeg├│lnie, je┼Ťli ma r├│┼╝ne z┼é─ůcza wyprowadzone na zewn─ůtrz, jak np. z┼é─ůcza kart SD, USB, g┼éo┼Ťniki, mikrofony, itd. Z do┼Ťwiadczenia wiem, ┼╝e z┼é─ůcza zapewniaj─ůce szczelno┼Ť─ç s─ů drogie. Rozwi─ůzaniem jest wtedy conformal coating lub underfiling. Underfiling, opr├│cz tego ┼╝e zabezpiecza uk┼éady przed uszkodzeniami mechanicznymi i poprawia odprowadzanie ciep┼éa z uk┼éadu, zabezpiecza uk┼éad przed wp┼éywem wilgoci i zapobiega powstawaniu dendryt├│w. Conformal coating jak wiemy zabezpiecza p┼éytk─Ö przed r├│┼╝nymi czynnikami: wilgoci─ů, temperatur─ů, agresywnymi gazami, wibracjami, korozj─ů oraz przed dendrytami. Czemu wi─Öc nie wyeliminowa─ç wszystkich tych zagro┼╝e┼ä w jednym procesie! Wa┼╝n─ů kwesti─ů w przypadku conformal coatingu jest materia┼é jakiego u┼╝yjemy. Nie wszyscy zdajemy sobie spraw─Ö, ┼╝e silikony s─ů paroprzepuszczalne. Nie gwarantuj─ů nam wi─Öc dobrego zabezpieczenia przed dendrytami. Oczywi┼Ťcie pow┼éoka silikonowa spowolni ca┼éy proces, ale para wodna ma szans─Ö dosta─ç si─Ö do powierzchni p┼éytki. Gdy si─Ö skropli, mo┼╝e zapocz─ůtkowa─ç proces rozrostu dendryt├│w, kt├│rego nikt si─Ö nie spodziewa. Przecie┼╝ polakierowali┼Ťmy p┼éytk─Ö! Du┼╝o lepsze zabezpieczenie daj─ů inne materia┼éy, np. akryle, poliuretany. Je┼Ťli jednak kto┼Ť upiera┼éby si─Ö przy silikonach, to istniej─ů obecnie alternatywne materia┼éy ÔÇô gumy syntetyczne. W przeciwie┼ästwie do silikon├│w mo┼╝na je aplikowa─ç za pomoc─ů zawor├│w kurtynowych lub te┼╝ zawor├│w typu ÔÇ×jetÔÇŁ. Wa┼╝n─ů jest te┼╝ kwestia adhezji pow┼éok do p┼éytki i komponent├│w. Jak wiadomo p┼éytka mo┼╝e by─ç zanieczyszczona pozosta┼éo┼Ťciami poprzednich proces├│w. O ile materia┼éy rozpuszczalnikowe rozpuszczaj─ů zanieczyszczenia, pozosta┼ée jednak musz─ů mie─ç czyst─ů i dobrze zwil┼╝aln─ů powierzchni─Ö by adhezja by┼éa dobra. Mycie usunie nam widoczne zabrudzenia, ale co z zabrudzeniami kt├│rych nie wida─ç? Usuwanie zanieczyszcze┼ä Mycie p┼éytek nie usuwa wszystkich zanieczyszcze┼ä, istnieje zagro┼╝enie ┼╝e pozostan─ů mikro (lub te┼╝ nano) zabrudzenia. Do usuwania takich zabrudze┼ä pomocna mo┼╝e by─ç plazma. Kto┼Ť powie zaraz ┼╝e plazma zniszczy nam delikatne komponenty. Moja odpowied┼║ brzmi: NIE! Nie, je┼Ťli u┼╝yjemy plazmy atmosferycznej niskoci┼Ťnieniowej ze specjaln─ů g┼éowic─ů do czyszczenia i aktywowania elektroniki. Plazma ta nie wytwarza potencja┼éu elektrycznego, jest wi─Öc bezpieczna dla elektroniki. Nie musimy si─Ö te┼╝ obawia─ç temperatury, mimo ┼╝e plazma opuszczaj─ůca g┼éowic─Ö ma temperatur─Ö od 100 ┬║C do 300 ┬║C komponenty przy w┼éa┼Ťciwie dobranych parametrach nie nagrzewaj─ů si─Ö bardziej ni┼╝ o 20 ┬║C. Jej oddzia┼éywanie ogranicza si─Ö do wierzchniej warstwy, m├│wimy to wielko┼Ťciach rz─Ödu kilku nanometr├│w. Przypomn─Ö przy okazji czym jest plazma, plazma jest czwartym stanem skupienia. Jest to silnie zjonizowany gaz, w tym przypadku ÔÇô powietrze. Jony o wysokiej energii kinetycznej uderzaj─ů powierzchni─Ö niemal z pr─Ödko┼Ťci─ů d┼║wi─Öku (ok. 300 m/s, pr─Ödko┼Ť─ç d┼║wi─Öku na poziomie morza wynosi ok. 340 m/s), powoduj─ůc trzy efekty. Pierwszy to rozbijanie niewielkich zanieczyszcze┼ä organicznych na cz─ůsteczki, kt├│re ulatniaj─ů si─Ö poprzez system wyci─ůgu. Dzi─Öki temu unikamy ryzyka ┼╝e pomi─Ödzy pokryciem a komponentami pozostan─ů zabrudzenia. Drugim efektem jest aktywacja powierzchni, zjonizowane powietrze tworz─ůce plazm─Ö zawiera du┼╝a ilo┼Ť─ç aktywnych jon├│w tlenu, kt├│re aktywuj─ů powierzchni─Ö zar├│wno fizycznie jak i chemicznie. Zwi─Ökszaj─ů bowiem napi─Öcie powierzchniowe i czyni─ů powierzchni─Ö aktywn─ů chemicznie, przez co lakier lepiej przylega do powierzchni. Trzecim jest usuwanie ┼éadunk├│w elektrycznych ju┼╝ zgromadzonych na p┼éytce. I wszystko to przy pr─Ödko┼Ťciach liniowych nawet do 100 m/min. Plazm─Ö mo┼╝emy r├│wnie dobrze stosowa─ç po monta┼╝u w celu przygotowania powierzchni pod lakierowanie, jak i przed nak┼éadaniem pasty lutowniczej czy kleju SMA. Aktywacja i czyszczenie elektroniki za pomoc─ů plazmy opr├│cz wysokiej jako┼Ťci oferuje nam r├│wnie┼╝ mo┼╝liwo┼Ť─ç kontrolowania i monitorowania parametr├│w zgodnie z norm─ů ISO 9000, co jest szczeg├│lnie wa┼╝ne, np. w przemy┼Ťle motoryzacyjnym. Dendryty to nie whiskersy Dendryty cz─Östo s─ů mylone z whiskersami. S─ů to jednak dwa r├│┼╝ne zjawiska. Whiskers jest to krystaliczna struktura kt├│ra wyrasta z powierzchni cyny lub cynku (r├│wnie┼╝ innych metali) jak ÔÇ×w┼éosÔÇŁ. Zazwyczaj nie przekraczaj─ů kilku mikron├│w ┼Ťrednicy i jednego milimetra d┼éugo┼Ťci, chocia┼╝ rekordzi┼Ťci dorastaj─ů do 25 mm. Czas powstawania takiego whiskersa mo┼╝e by─ç liczony w dniach jak r├│wnie┼╝ w latach. Pierwsza publikacja dotycz─ůca whiskers├│w pojawi┼éa si─Ö ju┼╝ w latach 40 ubieg┼éego wieku i dzi┼Ť wiemy ju┼╝ ┼╝e s─ů one wynikiem napr─Ö┼╝e┼ä wewn─Ötrznych metali. Whiskersy mog─ů powodowa─ç awari─Ö urz─ůdze┼ä elektronicznych podobnie jak dendryty, doprowadzaj─ůc do zwarcia. Jak wi─Öc zabezpieczy─ç si─Ö przed whiskersami? Mo┼╝emy postara─ç si─Ö zmniejszy─ç napr─Ö┼╝enia, np. przez wy┼╝arzanie. Mo┼╝emy r├│wnie┼╝ stworzy─ç fizyczn─ů barier─Ö, by unikn─ů─ç potencjalnych zwar─ç. Tak─ů barier─ů mo┼╝e by─ç pow┼éoka konforemna (conformal coating), lub te┼╝ mo┼╝emy zwi─Ökszy─ç odleg┼éo┼Ť─ç (do 10-15 mm) pomi─Ödzy powierzchniami o r├│┼╝nych potencja┼éach. To ostatnie rozwi─ůzanie w dobie miniaturyzacji jest raczej nie realne. Ryzyko powstania whiskersÔÇÖ├│w zmniejsza u┼╝ycie zamiast czystej cyny lub cynku, stop├│w tych metali. Nale┼╝y jednak pami─Öta─ç ┼╝e ┼╝adna z tych metod nie uchroni nas przed powstawaniem whiskers├│w! Zmniejszaj─ů one tylko prawdopodobie┼ästwo uszkodzenia urz─ůdzenia. C├│┼╝ wi─Öc daje nam conformal coating w walce z whiskersami? Zmniejsza pr─Ödko┼Ť─ç rozrostu whiskers├│w, jak r├│wnie┼╝ ryzyko powstania zwarcia oddalonych przewod├│w. Im grubsza pow┼éoka tym prawdopodobie┼ästwo penetracji przez whiskersy mniejsze. NASA przeprowadzi┼éa test w kt├│rym obserwowa┼éa rozrost whiskers├│w na powierzchni cyny pokrytej warstw─ů lakieru poliuretanowego o grubo┼Ťci ok. 50 ╬╝m. Po 11 latach przechowywania w warunkach biurowych, ┼╝aden whiskers nie przebi┼é warstwy lakieru. Whiskersy unios┼éy w kilku miejsca lakier tworz─ů ÔÇ×namiotÔÇŁ, si┼éy kohezji lakieru okaza┼éy si─Ö wi─Öksze ni┼╝ adhezja lakieru do pod┼éo┼╝a. R├│┼╝ne testy dowiod┼éy ┼╝e dopiero pokrycia o grubo┼Ťci powy┼╝ej 50-100 ╬╝m gwarantuj─ů ┼╝e whiskersy si─Ö nie przebij─ů. Cho─ç niekt├│re ┼║r├│d┼éa podaj─ů, ┼╝e powinno to by─ç 200-300 mikrometr├│w. Wszyscy pami─Ötamy problemy z peda┼éem gazu w Toyotach, w┼éa┼Ťnie to whiskersy by┼éy odpowiedzialne za te awarie. Wiemy wi─Öc, ┼╝e nie jest to zjawisko, kt├│re mo┼╝emy zlekcewa┼╝y─ç. Jest to sytuacja kt├│ra mo┼╝e spotka─ç ka┼╝dego z nas. Warto wi─Öc pami─Öta─ç o zagro┼╝eniu ju┼╝ w trakcie projektowania uk┼éad├│w, jak i podczas procesu produkcyjnego. Podsumowanie Na jednej z prezentacji dotycz─ůcej conformal coatingu, pokazujemy rozrost dendryt├│w w czasie rzeczywistym. Trwa to zaledwie kilkana┼Ťcie sekund. Wszyscy dziwi─ů si─Ö ┼╝e ten proces mo┼╝e by─ç tak szybki! Warto wi─Öc zastanowi─ç si─Ö czy moje p┼éytki s─ů w wystarczaj─ůcy spos├│b zabezpieczone? Co je┼Ťli za dwa miesi─ůce pojawi─ů si─Ö na nich dendryty lub whiskersy? Kto poniesie koszty wymiany? Je┼Ťli lakieruj─Ö r─Öcznie sk─ůd mam pewno┼Ť─ç ┼╝e grubo┼Ť─ç warstwy jest wystarczaj─ůca? Mam nadziej─Ö, ┼╝e uda┼éo mi si─Ö przybli┼╝y─ç zagro┼╝enia jakie nios─ů ze sob─ů dendryty i whiskersy, przyczyny ich powstawania oraz metody zabezpieczania przed ich wyst─Öpowaniem. Grzegorz Szypulski Artyku┼é zosta┼é umieszczony dzi─Öki uprzejmo┼Ťci firmy ┬ę AMB Technic. Wi─Öcej informacji na stronie firmy.
reklama
reklama
Artyku┼éy, kt├│re mog─ů Ci─Ö zainteresowa─ç
Załaduj więcej newsów
February 22 2019 14:26 V12.2.6-2