Практика ремонта. Причина отказа электронных узлов принтера - «усы» олова.

Практика ремонта. Причина отказа электронных узлов принтера - «усы» олова.

Современные технологии изготовления различного вида печатных плат принтеров и безсвинцовые технологии пайки не только экологичны и эффективны, но они (в определенных условиях) порождают ряд явлений, приводящих к отказам.

«Усы» олова — это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате, являются причиной возникновения отказов электронных схем из-за замыканий между контактами и проводниками. Отрицательное воздействие внешней среды непосредственно сказывается на показателях надежности печатных узлов и сборок выполненных по современным технологиям.

В разговорах со специалистами по ремонту печатных плат принтеров и персональных компьютеров, достаточно частоможно услышать: «пропаял контакты микросхем, разъемов неисправной платы и она заработала, неисправность исчезла». Обычно такое «волшебство» пропайки объясняют плохим качеством паяного соединения, но действительно ли это так? Есть и более реальное объяснение. До недавнего времени при пайке использовали свинец и сплавы на его основе, которые имеют низкую температуру плавления, но к сожалению, свинец является токсичным металлом. Из экологических соображений содержащие свинец припои активно вытесняются с рынка постановлениями исполнительной власти ЕС, которые оказывают сильное давление на производителей. Широко применяющиеся оловянно-свинцовые припои, состоящие из свинца и олова в приблизительной пропорции 40% свинца и 60% олова, обладают хорошей эвтектикой, но несмотря на это мы должны иметь в виду, что, нравится нам это или нет, мы уже сталкиваемся с необходимостью паять безсвинцовыми сплавами. Евросоюз принял директиву 2002/95/ЕС RoHS (Restriction of Hazardous Substances – запрет вредных веществ). Согласно этому документу, уже с 1 июля 2006 года начали действовать ограничения на использование в промышленной электронной продукции и в новой электронной технике некоторых химических материалов, опасных для здоровья и окружающей среды. Среди прочих, действие директивы распространяется и на соединения свинца. Таким образом, запрещается использование свинцовосодержащих припоев (рис. 1).

Рис. 1. Логотип означающий соответствие технологии пайки требованиям исполнительной власти EC.

При работе с безсвинцовыми припоями возникает ряд проблем, которые связаны с физическими их свойствами. Поэтому паяльные станции должны быть специально адаптированы для работы с новыми припоями. Рассмотрим основные проблемы, которые могут возникнуть при пайке безсвинцовыми припоями:

- более высокая температура плавления пайки может повредить электронные компоненты, содержащие пластмассу, могут получить термический «шок» и сами компоненты;

- может возникнуть деформация печатных плат;

- будет наблюдаться слабая увлажненность и растекание в связи с возрастающим эффектом окисления поверхности;

- появится необходимость использования более активных (и коррозийных) флюсов;

- возможно появление перемычек и замыканий;

- вследствие более высокой температуры пайки будет наблюдаться сильное разбрызгивание флюса;

- увеличится время создания качественной пайки (контакта);

- вид паяного контакта будет более тусклым;

- снизится ресурс нормальной работы паяльных головок;

- потребуется изменить стиль работы монтажников.

Итак, возможно появление перемычек и замыканий сильное разбрызгивание флюса. Перемычки и замыкания (рис. 2) возникают в виде «усов» олова (это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате). Эти таинственные проростки были виноваты в серьезнейших отказах электроники.

Рис. 2.

Оловянное покрытие без добавок, как и кадмий и цинк, спонтанно образует кристаллы металла диаметром около 1-5 мкм и менее одной десятой толщины человеческого волоса, которые проталкиваются от основания вверх. Если они растут достаточно близко для того, чтобы прикоснуться к другому токопроводящему объекту, то вызовут короткое замыкание, которое может повредить аппаратуру.

Помимо образования «усов», не содержащий свинца припой к тому же более хрупок. Припои-заменители также могут быть нанесены слишком тонким слоем, при недостаточной или при слишком высокой температуре (заменители свинца имеют более высокие точки плавления), что создает механические напряжения в слоистой структуре печатной платы.

Какие же меры и технологии могут устранить образование «усов»?

Применение матового финишного покрытия, устранение загрязнителей из припоя и с поверхностей, снижение механических напряжений в паяемых компонентах — все это ослабляет рост «усов». Однако ряд специалистов в области пайки и печатных плат, заявили, что «никакое определенное решение этой проблемы» не найдено до сих пор.

Что способствует появлению «усов»? Оказывается, что они могут расти при температуре и влажности окружающей среды или в вакууме, а также при постоянных или изменяющихся температурах (хотя варьирование температуры может способствовать их росту). Кончики «усов» соразмерны атому. За достаточное время они протолкнутся через любое покрытие. Они являются преобладающей причиной (лишь недавно обнаруженной) многих отказов аппаратуры и в прошлом. Один «усик» может пропускать около 30 мА — что более чем достаточно для повреждения цифровых схем.

Припой серебро-олово-медь (SAC) замедляет, но не прекращает рост «усов». Но припой SAC оказывает на окружающую среду большее влияние, чем вариант олово-свинец (известный припой — 37% свинца, 63% олова — в отличие от SAC только деформируется, что снижает механические напряжения, а значит, сводит к минимуму образование «усов»).

Свыше 80% от всех радиоэлектронных компонентов производится в Азии, но технические требования к ним разрабатываются в фирмах — обладателях торговой марки продукции. Проверка десяти изготовителей по вопросу проблемы образования «усов» показала, что только один человек из лиц, ответственных за техническое обеспечение в этих фирмах, ничего не знал об этом. Многие потребители, вероятно, отнесут дефектные устройства на счет своего собственного невезения, когда в реальности причиной могут быть микроскопические «усики» внутри их машин.