Усы (металлургия)

Серебряные усы, растущие из резисторов поверхностного монтажа

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

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, тогда как 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

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. (см. § Смягчение и устранение ) . 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 свинца. ^[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» канала History Channel программе «Инженерные катастрофы . ^[15]

Смягчение и устранение

Для уменьшения или устранения роста усов используется несколько подходов, при этом исследования в этой области продолжаются.

Конформные покрытия

Конформные составные покрытия не позволяют усам проникнуть через барьер, достичь ближайшего окончания и образовать короткое замыкание. ^[12]

Изменение химического состава покрытия

В контролируемых испытаниях было показано, что оконечные покрытия из никеля, золота или палладия исключают образование «усов». ^[16]

Примеры и происшествия с оловянными усами

Галактика IV

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, а не на олово, чтобы снизить риск роста усов. Компромиссом стало увеличение веса, которое добавило от 50 до 100 кг (от 110 до 220 фунтов) на полезную нагрузку. ^[17]

Атомная электростанция Миллстоун

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 контроль линий давления пара на электростанции. ^[18]

Датчики положения акселератора Toyota ложное срабатывание

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

Ссылки

^ 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; Италия, Шрикант; Карпов Виктор Георгиевич; Георгиев, Дэниел Г. (01 февраля 2022 г.). «Модификация металлических поверхностей олова (Sn) возбуждением поверхностного плазмон-поляритона» . сценария Материал 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.
^ Jump up to: ^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.
^ «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

Изображения серебряных усов НАСА

[1] Людмила Панащенко. «Металлические покрытия, устойчивые к образованию висков» (PDF) . НЭПП НАСА . Проверено 23 октября 2013 г.

[2] Крейг Хиллман; Грегг Киттлсен и Рэнди Шуллер. «Новый (лучший) подход к снижению воздействия оловянных усов» (PDF) . Решения ДФР . Проверено 23 октября 2013 г.

[3] 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 .

[4] Борра, Вамси; Италия, Шрикант; Карпов Виктор Георгиевич; Георгиев, Дэниел Г. (01 февраля 2022 г.). «Модификация металлических поверхностей олова (Sn) возбуждением поверхностного плазмон-поляритона» . сценария Материал 208 : 114357.arXiv : 2310.18495 . дои : 10.1016/j.scriptamat.2021.114357 . ISSN 1359-6462 . S2CID 240093482 .

[5] 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 .

[6] Джордж Т. Галион. «История теории оловянных усов: 1946–2004 годы» (PDF) . иНЕМИ . Проверено 21 декабря 2012 г.

[7] «Эффект усов» . ИНЕЛКО . Проверено 5 января 2011 г.

[8] Брюсс, Джей (2 апреля 2003 г.). «Цинковые усы. Могут ли цинковые усы повлиять на вашу электронику?» (PDF) . НАСА . Проверено 24 декабря 2022 г.

[9] Куиннелл, Ричард (1 сентября 2005 г.). «Проведение теста на оловянные усы» . ЭДН . Проверено 25 декабря 2022 г.

[10] «Отчет о событии за 12 июля 1999 г.» . Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 21 декабря 2012 г.

[11] «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.

[:0-12] Jump up to: ^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.

[13] «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.

[14] Александр Теверовский (апрель 2003 г.). «Знакомство с новым членом семьи: золотые усы» (PDF) . НАСА . Проверено 21 декабря 2012 г.

[15] «Инженерные катастрофы 19 (12 сезон 11 серия)» . История . 22 мая 2006 г. Проверено 20 мая 2022 г.

[16] 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.

[17] 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.

[18] «Останов реактора: Доминион извлекает большой урок из крошечного «жестяного уса» » (PDF) .

[19] «Трактат» (PDF) . nepp.nasa.gov .

[20] Банкли, Ник (27 марта 2018 г.). «Toyota объявляет второй отзыв об ускорителях» . Нью-Йорк Таймс .

[21] «Исследование NHTSA-NASA непреднамеренного ускорения автомобилей Toyota» . НАБДД . Проверено 14 ноября 2014 г.

[22] «NHTSA отвергает теорию «жестяных усов» в отношении непреднамеренного ускорения Toyota» . Автомобильные новости . 27 июля 2012 года . Проверено 14 ноября 2014 г.

[23] « « Оловянные бакенбарды » и другие дискредитированные теории непреднамеренного ускорения» . Тойота. 24 января 2012 года . Проверено 29 сентября 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]