reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© AMB Technic Technologie | 22 listopada 2012

Dendryty w elektronice

Zapraszamy do zapoznania si臋 z artyku艂em technicznym na temat mechanizm贸w powstawania dendryt贸w i sposob贸w zapobiegania temu procesowi autorstwa Grzegorza Szypulskiego z AMB Technic.
Poj臋cie dendryt mo偶emy spotka膰 w wielu dziedzinach nauki: metalurgii, biologii, krystalografii. Wywodzi si臋 z greckiego s艂owa 鈥瀌茅ndron鈥, co oznacza drzewo. Dendryty spotyka si臋 r贸wnie偶 w elektronice - tworz膮 si臋 one na skutek migracji elektrochemicznej, czyli ruchu jon贸w pomi臋dzy metalowymi cz臋艣ciami, kt贸re maj膮 r贸偶ny potencja艂 elektryczny przy obecno艣ci elektrolitu (np. wody).
Rys.1 Dendryty na p艂ytce drukowanej 漏 AMB Technic
Rozwojowi dendryt贸w sprzyja obecno艣膰 jon贸w wyst臋puj膮cych w zanieczyszczenia pozosta艂ych na p艂ytce po wcze艣niejszych procesach, np. topnikach, resztkach past lutowniczych, czy odciskach palc贸w. Jony pewnych metali migruj膮 艂atwo, np. srebra, cyny i miedzi, innych natomiast nie migruj膮 (z艂oto, platyna). Szybko艣膰 migracji wzrasta wraz z temperatur膮, jest r贸wnie偶 wprost proporcjonalna do odleg艂o艣ci pomi臋dzy elektrodami. W zale偶no艣ci od warunk贸w otoczenia, uszkodzenie obwodu (zwarcie) mo偶e nast膮pi膰 nawet w czasie kr贸tszym ni偶 30 minut lub te偶 mo偶e nast膮pi膰 po kilku miesi膮cach, czy nawet po latach. Aby powsta艂 dendryt, by jony migrowa艂y musz膮 wyst膮pi膰 jednocze艣nie 3 czynniki: w otoczeniu musi by膰 metal, kt贸rego jony migruj膮, musi pojawi膰 si臋 r贸偶nica napi臋膰 i obw贸d ten musi by膰 pokryty elektrolitem (woda, kawa, cola, piwo, wino). Rys.2 Mechanizm powstawania dendryt贸w Zapobieganie Zapobieganie powstawaniu dendryt贸w realizowane jest poprzez eliminacj臋 kt贸rego艣 z wymienionych trzech czynnik贸w. Oczywi艣cie nie da si臋 wy艂膮czy膰 napi臋cia, aby nie by艂o r贸偶nic potencja艂贸w w obwodach. Samego metalu te偶 nie da si臋 wyeliminowa膰, a wszystkich element贸w ze z艂ota te偶 nie mo偶na wykona膰. Nie da si臋 te偶 unikn膮膰 obecno艣ci elektrolitu, gdy偶 na p艂ytce mo偶e si臋 zawsze skropli膰 para wodna. Zadziwiaj膮ce jest to jak niewielu in偶ynier贸w zdaje sobie spraw臋, 偶e kondensacja pary wodnej mo偶e wyst膮pi膰 r贸wnie偶 wewn膮trz obudowy urz膮dzenia elektronicznego, nawet jak obudowa ta wydaje si臋 szczelna. Czasem mo偶na zamkn膮膰 urz膮dzenie w hermetycznej obudowie, ale nie zawsze jest to mo偶liwe. Szczeg贸lnie, je艣li sprz臋t ma r贸偶ne z艂膮cza wyprowadzone na zewn膮trz.
Rys.3 Dendryty na p艂ytce drukowanej 漏 AMB Technic
Rozwi膮zaniem jest wtedy conformal coating (pokrycie konformalne) lub underfiling (wype艂nienie szczelin pomi臋dzy elementami a p艂ytk膮), kt贸ry opr贸cz tego, 偶e zabezpiecza uk艂ady przed uszkodzeniami mechanicznymi i poprawia odprowadzanie ciep艂a z uk艂adu, zabezpiecza elementy przed wp艂ywem wilgoci i zapobiega powstawaniu dendryt贸w. Conformal coating zabezpiecza p艂ytk臋 przed r贸偶nymi czynnikami: wilgoci膮, temperatur膮, agresywnymi gazami, wibracjami, korozj膮, jak i przed dendrytami. Najlepiej wi臋c eliminowa膰 wszystkie te zagro偶enia w jednym procesie. Wa偶n膮 kwesti膮 w przypadku pokry膰 konformalnych jest materia艂, jakiego u偶yjemy. Nie wszyscy zdaj膮 sobie spraw臋, 偶e silikony s膮 paroprzepuszczalne. Nie gwarantuj膮 wi臋c dobrego zabezpieczenia przed dendrytami. Oczywi艣cie pow艂oka silikonowa spowalnia ca艂y proces migracji jon贸w, ale para wodna ma szans臋 dosta膰 si臋 do powierzchni p艂ytki. Gdy skropli si臋 mo偶e zapocz膮tkowa膰 proces rozrostu dendryt贸w, kt贸rego nikt si臋 nie spodziewa. Du偶o lepsze zabezpieczenie daj膮 inne materia艂y, np. akryle, poliuretany lub alternatywne materia艂y do silikon贸w 鈥 gumy syntetyczne. Mo偶na je aplikowa膰 za pomoc膮 zawor贸w kurtynowych lub te偶 zawor贸w typu 鈥瀓et鈥. Wa偶n膮 jest te偶 kwestia adhezji pow艂ok do p艂ytki i komponent贸w, bo mog膮 by膰 one zanieczyszczone pozosta艂o艣ciami poprzednich proces贸w. O ile materia艂y rozpuszczalnikowe rozpuszczaj膮 zanieczyszczenia, pozosta艂e jednak musz膮 mie膰 czyst膮 i dobrze zwil偶aln膮 powierzchni臋, aby adhezja by艂a dobra. Usuwanie zanieczyszcze艅 Mycie p艂ytek nie usuwa wszystkich zanieczyszcze艅, istnieje zagro偶enie, 偶e pozostan膮 mikro- lub nanozabrudzenia. Do usuwania takich zabrudze艅 pomocna mo偶e by膰 plazma. Je艣li u偶yje si臋 plazmy atmosferycznej niskoci艣nieniowej ze specjaln膮 g艂owic膮 do czyszczenia i aktywowania elektroniki, kt贸ra nie wytwarza potencja艂u elektrycznego, pe艂ne bezpiecze艅stwo elektroniki zostaje zachowane. Nie trzeba si臋 te偶 obawia膰 temperatury, mimo 偶e plazma opuszczaj膮ca g艂owic臋 ma temperatur臋 od 100潞C do 300潞C, komponenty przy w艂a艣ciwie dobranych parametrach nie nagrzewaj膮 si臋 bardziej ni偶 o 20潞C. Jej oddzia艂ywanie ogranicza si臋 do wierzchniej warstwy, m贸wimy to wielko艣ciach rz臋du kilku nanometr贸w. Efekt czyszcz膮cy plazmy wynika z silnej jonizacji powietrza. Jony o wysokiej energii kinetycznej uderzaj膮 powierzchni臋 niemal z pr臋dko艣ci膮 d藕wi臋ku, powoduj膮c trzy zjawiska. Pierwsze to rozbijanie niewielkich zanieczyszcze艅 organicznych na cz膮steczki, kt贸re ulatniaj膮 si臋 poprzez wyci膮g. Drugie to aktywacja powierzchni 鈥 zjonizowane powietrze tworz膮ce plazm臋 zawiera du偶膮 liczb臋 aktywnych jon贸w tlenu, kt贸re aktywuj膮 powierzchni臋, zwi臋kszaj膮c napi臋cie powierzchniowe i czyni膮 powierzchni臋 aktywn膮 chemicznie, przez co lakier lepiej przylega do powierzchni. Trzecim zjawiskiem jest usuwanie 艂adunk贸w elektrycznych ju偶 zgromadzonych na p艂ytce. I wszystko to przy pr臋dko艣ciach liniowych nawet do 100 m/min. Plazm臋 mo偶na r贸wnie dobrze stosowa膰 po monta偶u w celu przygotowania powierzchni pod lakierowanie, jak i przed nak艂adaniem pasty lutowniczej czy kleju SMA. Aktywacja i czyszczenie elektroniki za pomoc膮 plazmy opr贸cz wysokiej jako艣ci oferuje r贸wnie偶 mo偶liwo艣膰 kontrolowania i monitorowania parametr贸w zgodnie z norm膮 ISO 9000, co jest szczeg贸lnie wa偶ne, np. w przemy艣le motoryzacyjnym. Dendryty to nie whiskersy
Rys.4 Whiskersy na elementach elektronicznych 漏 AMB Technic
Dendryty cz臋sto s膮 mylone z whiskersami. S膮 to jednak dwa r贸偶ne zjawiska. Whiskers jest to krystaliczna struktura, kt贸ra wyrasta z powierzchni cyny lub cynku i wygl膮da jak w艂os. Jego wymiary zazwyczaj nie przekraczaj膮 kilku mikrometr贸w 艣rednicy i jednego milimetra d艂ugo艣ci. Czas powstawania takiego whiskersa mo偶e by膰 liczony w dniach, jak r贸wnie偶 w latach. Whiskersy mog膮 powodowa膰 awari臋 urz膮dze艅 elektronicznych podobnie jak dendryty, doprowadzaj膮c do zwarcia. Zabezpieczenie si臋 przed whiskersami polega na zmniejszaniu napr臋偶e艅, np. przez wy偶arzanie. Mo偶na r贸wnie偶 stworzy膰 fizyczn膮 barier臋, aby unikn膮膰 potencjalnych zwar膰. Mo偶e by膰 pow艂oka konformalna lub te偶 mo偶na zwi臋kszy膰 odleg艂o艣膰 (do 10-15 mm) pomi臋dzy powierzchniami o r贸偶nych potencja艂ach. To ostatnie rozwi膮zanie w dobie miniaturyzacji jest raczej nierealne. Ryzyko powstania whiskers贸w zmniejsza u偶ycie zamiast czystej cyny lub cynku, stop贸w tych metali. Nale偶y jednak pami臋ta膰, 偶e 偶adna z tych metod nie chroni przed powstawaniem whiskers贸w. Zmniejszaj膮 one tylko prawdopodobie艅stwo uszkodzenia urz膮dzenia na skutek ich wyrastania.
Rys.5 Whiskersy na elementach elektronicznych 漏 AMB Technic
Pokrycia konformalne w walce z whiskersami zmniejszaj膮 pr臋dko艣膰 ich rozrostu i ryzyko powstania zwarcia oddalonych przewod贸w. Im grubsza pow艂oka tym prawdopodobie艅stwo penetracji jest mniejsze. NASA przeprowadzi艂a test, w kt贸rym obserwowa艂a rozrost whiskers贸w na powierzchni cyny pokrytej warstw膮 lakieru poliuretanowego o grubo艣ci ok. 50 渭m. Po 11 latach przechowywania w warunkach biurowych, 偶aden whiskers nie przebi艂 warstwy lakieru. Unios艂y one w kilku miejscach lakier i powsta艂 鈥瀗amiot鈥, jednak si艂y kohezji lakieru okaza艂y si臋 wi臋ksze ni偶 adhezja lakieru do pod艂o偶a. R贸偶ne inne testy dowiod艂y, 偶e dopiero pokrycia o grubo艣ci powy偶ej 50-100 m gwarantuj膮, 偶e whiskersy si臋 nie przebij膮 przez nie, cho膰 inne 藕r贸d艂a podaj膮, 偶e powinno to by膰 200鈥300 渭m. W dobie elektroniki bezo艂owiowej i stop贸w bazuj膮cych na cynie, zagro偶enie whiskersami jest na tyle istotne, 偶e nie mo偶na go lekcewa偶y膰. Warto wi臋c pami臋ta膰 o zagro偶eniu ju偶 w trakcie projektowania uk艂ad贸w jak i podczas procesu produkcyjnego. Autor: Grzegorz Szypulski, AMB Technic www.amb.pl
reklama
reklama
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
February 21 2019 14:28 V12.2.5-1