Czy lutowanie w atmosferze azotowej pozwoli wyeliminować problem wiskerów?

Wiele metali, w tym cynę i cynk, cechuje tworzenie się kryształów włoskowatych, tzw. wiskerów [wąsy cynowe; kryształy nitkowe], pojawiających się spontanicznie po wielu miesiącach, a nawet latach, jak np. w przypadku powłok elektrolitycznych, które stały się przyczyną zamknięcia jednej z elektrowni atomowych na terenie Stanów Zjednoczonych. Od dawna wiadomo, że wystarczy niewielki dodatek ołowiu, by występowanie tego zjawiska znacznie ograniczyć. Tymczasem wraz z wejściem w życie Dyrektywy RoHS stosowanie ołowiu w produktach elektrycznych i elektronicznych zostało zabronione, przyczyniając się do zaniepokojenia wielu konstruktorów i producentów, którzy teraz się obawiają powrotu problemów z wiskerami i widzą konieczność znacznego zwiększenia nakładów i znalezienia nowych rozwiązań technicznych eliminujących ten problem. „Wiskery” to monokryształy cyny o średnicy od 3 do 5 mikronów, wyrastających przede wszystkim na powierzchniach wykończeniowych wykonanych z cyny. Przyjęło się uważać, że kryształki te powstają wskutek uwolnienia naprężeń występujących wewnątrz cynowej powłoki wykończeniowej. Wiskery tworzą się stopniowo, w czasie od kilku miesięcy do wielu lat. Rysunek. Zdjęcie zjawiska powstawania 'wiskerów'. Wiskery [wąsy cynowe], będące dobrymi przewodnikami prądu, mogą powodować zwarcia elektryczne prowadzące do awarii urządzenia. Odnotowano wiele przypadków awarii spowodowanych kryształami nitkowymi w tak różnych dziedzinach elektroniki jak przemysł kosmiczny, przemysł lotniczy, czy urządzenia powszechnego użytku. W przeszłości producenci urządzeń elektronicznych mieli możliwość zminimalizowania ryzyka tworzenia się wiskerów poprzez dodawanie do stopów lutowniczych ołowiu. Po wejściu w życie dyrektywy RoHS, a w szczególności przepisów wprowadzających zakaz stosowania ołowiu w stopach lutowniczych, rośnie ryzyko awarii spowodowanych wiskerami, zwłaszcza dla projektantów i użytkowników końcowych kart elektronicznych. Wobec stałego zwiększania integracji i upakowania elementów elektronicznych na płytce problem ten będzie tylko narastał. Do chwili obecnej uważano, że zjawisko powstawania wiskerów spowodowane jest między innymi: · obecnością pozostałych naprężeń, które powstały w procesie nakładania powłok; · tworzeniem się warstwy intermetalicznej (dyfuzja podkładu do warstwy wykańczającej Cu ‡ Sn); · obecnością naprężeń ściskających lub powstałych podczas gięcia; · wadami powierzchni; · niejednorodnością współczynników dylatacji. Rysunek. Schemat powstawania 'wiskeru'. Prace badawcze w tym zakresie, uzmysławiające rolę jaką w procesie formowania się wiskersów odgrywa atmosfera zastosowana w procesu lutowania, przeprowadził niedawno ośrodek badawczy Air Liquide w Tsukuba (Japonia), wspólnie z uniwersytetem w Okasa. Udział w tych pracach zgłosił również jeden z ważniejszych producentów past lutowniczych. Wspomniane wyżej badania obejmowały wykonanie lutowania w atmosferze powietrza oraz w osłonie azotowej (poniżej 500 ppm O2), z zastosowaniem mniej i bardziej agresywnych topników. Wykonane łączenia lutowane poddano testom na przyspieszone starzenie i następnie obserwacji pod mikroskopem elektronowym. Bilans przeprowadzonych obserwacji jest oczywisty: · całkowity brak wiskerów we wszystkich próbach, które zostały wykonane w atmosferze azotowej; · obecność wiskerów w przypadku lutowania w atmosferze powietrza, tym większa im zastosowany topnik był bardziej agresywny. Lutowanie w atmosferze powietrza jest przyczyną mniejszej jednorodności lutów, co wydaje się sprzyjać dyfuzji tlenu do stopu lutowniczego, a więc i stopniowemu tworzeniu się tlenków cyny, które wymiarowo są większe od kryształków cyny. Z tego powodu powstają naprężenia ściskające, które powodują stopniowe wypychanie wiskerów. Spółka Air Liquide zdołała już zidentyfikować liczne korzyści, jakie wiążą się ze stosowaniem azotu podczas lutowania. Odpowiednio zastosowany azot to lepsze nawilżenie powierzchni (a tym samym większą wytrzymałość mechaniczną wykonanych połączeń), mniejsza ilość pustych przestrzeni oraz możliwość obniżenia maksymalnej temperatury procesowej o co najmniej 10 oC. Dzięki badaniom przeprowadzonym przez ośrodek badawczy Air Liquide można teraz przyjąć, że odpowiednio dobrana i kontrolowana osłona azotowa chroni łączenia lutowane przed tworzeniem się wiskerów, co stanowi rzeczywisty postęp w pracach nad niezawodnością urządzeń elektronicznych. Prace te uzupełniają wieloletnie doświadczenie i wiedzę zgromadzone przez Air Liquide w ramach swojej oferty ALIX™ przeznaczonej dla przemysłu montażu podzespołów elektronicznych. . Artykuł został zamieszczony dzięki uprzejmości Pana Laurent’a Kempinskiego z AIR LIQUIDE POLSKA Sp. z o.o.