Усы (металлургия)
Усы металла — это явление, которое возникает в электрических устройствах, когда металлы со временем образуют длинные выступы, похожие на усы. Оловянные усы были замечены и задокументированы в эпоху электронных ламп в начале 20 века в оборудовании, в производстве которого использовался чистый или почти чистый оловянный припой. Было замечено, что между металлическими контактными площадками припоя растут небольшие металлические волоски или завитки, вызывающие короткие замыкания . Металлические усы образуются при наличии сжимающих напряжений. усы германия , цинка , кадмия и даже свинца . Были зарегистрированы [1] Для решения этой проблемы используется множество методов, включая изменение процесса отжига (нагрев и охлаждение), добавление таких элементов, как медь и никель, а также включение конформных покрытий . [2] Традиционно свинец добавляли для замедления роста «усов» в припоях на основе олова.
В соответствии с Директивой об ограничении использования опасных веществ (RoHS) Европейский Союз с 2006 года запретил использование свинца в большинстве потребительских электронных продуктов из-за проблем со здоровьем, связанных со свинцом, и проблемы «высокотехнологичного мусора», что привело к переориентации на Проблема образования НК в бессвинцовых припоях .
Механизм [ править ]
Усы металла — это кристаллическое металлургическое явление, связанное со спонтанным ростом крошечных нитевидных волосков на металлической поверхности. Эффект в первую очередь наблюдается на элементарных металлах, но также встречается и на сплавах .
Механизм роста металлических усов не совсем понятен , но, по-видимому, этому способствуют сжимающие механические напряжения , в том числе:
- энергия, получаемая за счет электростатической поляризации металлических нитей в электрическом поле, [3] [4]
- остаточные напряжения, вызванные гальванопокрытием ,
- механические напряжения,
- напряжения, вызванные диффузией различных металлов,
- термические напряжения и
- градиенты деформации в материалах. [5]
Металлические усы отличаются от металлических дендритов по нескольким признакам: дендриты имеют форму папоротника и растут по поверхности металла, а металлические усы похожи на волосы и выступают перпендикулярно поверхности. Для роста дендритов необходима влага, способная растворить металл в раствор ионов металла, которые затем перераспределяются путем электромиграции в присутствии электромагнитного поля . Хотя точный механизм образования НК остается неизвестным, известно, что образование НК не требует ни растворения металла, ни присутствия электромагнитного поля.
Эффекты [ править ]
Усы могут стать причиной короткого замыкания и искрения в электрооборудовании. Это явление было обнаружено телефонными компаниями в конце 1940-х годов, а позже было обнаружено, что добавление свинца в оловянный припой смягчает последствия. [6] Европейская директива об ограничении использования опасных веществ (RoHS), вступившая в силу 1 июля 2006 г., ограничила использование свинца в различных типах электронного и электрического оборудования. Это привело к использованию бессвинцовых сплавов с упором на предотвращение образования усов. . Другие сосредоточились на разработке кислородонепроницаемых покрытий для предотвращения образования усов. [7]
Переносимые по воздуху цинковые усы ответственны за увеличение частоты отказов систем в серверных комнатах . Усы цинка растут на оцинкованных (гальванизированных) металлических поверхностях со скоростью до миллиметра в год при диаметре в несколько микрометров. На нижней стороне оцинкованной напольной плитки на фальшполе могут образовываться усы. пола Эти усы могут затем попасть в воздух внутри перекрытия , когда плитка потревожена, обычно во время технического обслуживания. Усы могут быть достаточно маленькими, чтобы проходить через воздушные фильтры, и могут оседать внутри оборудования, что приводит к коротким замыканиям и сбоям в системе. [8]
Оловянные усы не обязательно должны находиться в воздухе, чтобы повредить оборудование, поскольку они, как правило, уже растут непосредственно в окружающей среде, где могут вызывать короткие замыкания, то есть в самом электронном оборудовании. На частотах выше 6 ГГц или в быстрых цифровых схемах оловянные усы могут действовать как миниатюрные антенны схемы , влияя на импеданс и вызывая отражения. В компьютерных дисководах они могут сломаться и привести к поломке головок или поломке подшипников. [9] Оловянные усы часто вызывают отказы реле и были обнаружены при проверке вышедших из строя реле на атомных электростанциях. [10] Кардиостимуляторы отозвали из-за жестяных усов. [11] Исследования также выявили особый режим отказа оловянных усиков в вакууме (например, в космосе), когда в мощных компонентах короткозамкнутый оловянный ус ионизируется в плазму, способную проводить ток в сотни ампер, что значительно увеличивает разрушительное воздействие короткого замыкания. [12] Возможное увеличение использования чистого олова в электронике из-за директивы RoHS побудило JEDEC и IPC выпустить стандарт приемочных испытаний олова и руководство по методам смягчения последствий, призванное помочь производителям снизить риск появления усов олова в продуктах, не содержащих свинец. [13]
Серебряные усы часто появляются вместе со слоем сульфида серебра , который образуется на поверхности серебряных электрических контактов, работающих в атмосфере, богатой сероводородом , и высокой влажности . Такая атмосфера может существовать на очистных сооружениях и бумажных фабриках .
Усы длиной более 20 мкм были обнаружены на позолоченных поверхностях и отмечены во внутреннем меморандуме НАСА 2003 года. [14]
Эффекты металлических усов были зафиксированы в 19» на канале History программе «Инженерные катастрофы . [15]
Смягчение и устранение [ править ]
Для уменьшения или устранения роста усов используется несколько подходов, при этом исследования в этой области продолжаются.
Конформные покрытия [ править ]
Конформные составные покрытия не позволяют усам проникнуть через барьер, достичь ближайшего окончания и образовать короткое замыкание. [12]
покрытия Изменение химического состава
В контролируемых испытаниях было показано, что оконечные покрытия из никеля, золота или палладия исключают образование «усов». [16]
и инциденты с Примеры усами оловянными
Галактика IV [ править ]
Galaxy IV был телекоммуникационным спутником, который был отключен и потерян из-за короткого замыкания, вызванного оловянными усами в 1998 году. Первоначально считалось, что причиной сбоя стала космическая погода , но позже было обнаружено, что конформное покрытие было нанесено неправильно, что привело к образованию усов. в чистом олове, чтобы найти путь через недостающий участок покрытия, что приводит к выходу из строя главного управляющего компьютера. Производитель Hughes перешел на никелирование вместо олова, чтобы снизить риск роста усов. Компромиссом стало увеличение веса на 50–100 кг (от 110 до 220 фунтов) на полезную нагрузку. [17]
электростанция Миллстоун Атомная
17 апреля 2005 года атомная электростанция Миллстоун в Коннектикуте была остановлена из-за «ложной тревоги», указывающей на небезопасное падение давления в паровой системе реактора, когда давление пара на самом деле было номинальным. Ложная тревога была вызвана оловянным усом, который закоротил материнскую плату, отвечающую за мониторинг паропроводов на электростанции. [18]
Датчики положения акселератора ложное срабатывание Toyota
В сентябре 2011 года трое следователей НАСА заявили, что обнаружили оловянные усы на датчиках положения акселератора. [19] отобранных моделей Toyota Camry , которые могли способствовать авариям из-за застревания акселератора, затронувшим некоторые модели Toyota в 2005–2010 годах. [20] Это противоречит более раннему 10-месячному совместному расследованию Национальной администрации безопасности дорожного движения (NHTSA) и большой группы других исследователей НАСА, которое не обнаружило никаких электронных дефектов. [21]
В 2012 году NHTSA заявило: «Мы не считаем, что оловянные бакенбарды являются правдоподобным объяснением этих инцидентов… [вероятной причиной было] неправильное использование педали ». [22]
Toyota также утверждает, что «жестяные бакенбарды» не были причиной каких-либо проблем с застреванием акселератора: «По словам министра транспорта США Рэя Лахуда: «Вердикт вынесен. Никакой электронной причины непреднамеренного ускорения на высокой скорости в Toyota нет. Точка». » . Согласно пресс-релизу Toyota, «нет данных, указывающих на то, что оловянные усы более склонны к появлению оловянных усов в автомобилях Toyota, чем в любом другом автомобиле на рынке Toyota также заявляет, что «их системы в первую очередь предназначены для снижения риска образования оловянных усов». [23]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Людмила Панащенко. «Металлические покрытия, устойчивые к образованию висков» (PDF) . НЭПП НАСА . Проверено 23 октября 2013 г.
- ^ Крейг Хиллман; Грегг Киттлсен и Рэнди Шуллер. «Новый (лучший) подход к снижению воздействия оловянных усов» (PDF) . Решения ДФР . Проверено 23 октября 2013 г.
- ^ Карпов, В.Г. (15 мая 2014 г.). «Электростатическая теория металлических усов» . Применена физическая проверка . 1 (4): 044001. arXiv : 1401.7689 . Бибкод : 2014PhRvP...1d4001K . doi : 10.1103/PhysRevApplied.1.044001 . S2CID 118446963 .
- ^ Борра, Вамси; Итапу, Шрикант; Карпов Виктор Георгиевич; Георгиев, Дэниел Г. (01 февраля 2022 г.). «Модификация металлических поверхностей олова (Sn) возбуждением поверхностного плазмон-поляритона» . Скрипта Материалия . 208 : 114357. arXiv : 2310.18495 . дои : 10.1016/j.scriptamat.2021.114357 . ISSN 1359-6462 . S2CID 240093482 .
- ^ Сунь, Юн; Хоффман, Элизабет Н.; Лам, Пох-Санг; Ли, Сяодун (2011). «Оценка развития локальной деформации в результате образования металлических усов» . Скрипта Материалия . 65 (5): 388–391. дои : 10.1016/j.scriptamat.2011.05.007 .
- ^ Джордж Т. Галион. «История теории оловянных усов: 1946–2004 годы» (PDF) . иНЕМИ . Проверено 21 декабря 2012 г.
- ^ «Эффект усов» . ИНЕЛКО . Проверено 5 января 2011 г.
- ^ Брюсс, Джей (2 апреля 2003 г.). «Цинковые усы. Могут ли цинковые усы повлиять на вашу электронику?» (PDF) . НАСА . Проверено 24 декабря 2022 г.
- ^ Куиннелл, Ричард (1 сентября 2005 г.). «Проведение теста на оловянные усы» . ЭДН . Проверено 25 декабря 2022 г.
- ^ «Отчет о событии за 12 июля 1999 г.» . Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 21 декабря 2012 г.
- ^ «Тема ITG: Оловянные бакенбарды – проблемы, причины и решения» . Управление по контролю за продуктами и лекарствами. 14 марта 1986 г. Архивировано из оригинала 18 октября 2007 года . Проверено 21 декабря 2012 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Джей Брюсс; Хеннинг Лейдекер; Людмила Панащенко (5 декабря 2007 г.). «Металлические усы: виды отказов и стратегии их устранения» (PDF) . НАСА . Проверено 21 декабря 2012 г.
- ^ «JEDEC и IPC выпускают стандарт приемочных испытаний оловянных усов и руководство по методам смягчения последствий» . JEDEC.org . 4 мая 2006 г. Проверено 5 января 2011 г.
- ^ Александр Теверовский (апрель 2003 г.). «Знакомство с новым членом семьи: золотые усы» (PDF) . НАСА . Проверено 21 декабря 2012 г.
- ^ «Инженерные катастрофы 19 (12 сезон 11 серия)» . История . 22 мая 2006 г. Проверено 20 мая 2022 г.
- ^ Кын-Су Ким, Сук-Сик Ким, Сон-Джун Ким, Катусаки Суганума, ISIR, Университет Осаки, Масанобу Цудзимото, Исаму Янад, C. Uyemura & Co., Ltd., Предотвращение образования усов олова путем обработки поверхности оловом Покрытие, часть II , Ежегодное собрание TMS, 2008 г.
- ^ Фелпс, Брюс. « Усы» вызвали отказ спутника: в сбое Galaxy IV виноват межзвездный феномен» . Архивировано из оригинала 3 марта 2009 года . Проверено 19 октября 2019 г.
- ^ «Останов реактора: Доминион извлекает большой урок из крошечного «жестяного уса» » (PDF) .
- ^ «Трактат» (PDF) . nepp.nasa.gov .
- ^ Банкли, Ник (27 марта 2018 г.). «Toyota объявляет второй отзыв об ускорителях» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ «Исследование NHTSA-NASA непреднамеренного ускорения автомобилей Toyota» . НАБДД . Проверено 14 ноября 2014 г.
- ^ «Национальное управление безопасности дорожного движения (NHTSA) отвергает теорию «жестяных усов» в отношении непреднамеренного ускорения Toyota» . Автомобильные новости . 27 июля 2012 года . Проверено 14 ноября 2014 г.
- ^ « «Оловянные бакенбарды» и другие дискредитированные теории непреднамеренного ускорения» . Тойота. 24 января 2012 года . Проверено 29 сентября 2019 г.
Внешние ссылки [ править ]
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
