Wąsy cynowe w elektronice. Przyczyny i rozwiązania

Wprowadzenie

Wąsy cynowe (ang. tin whiskers) to spontanicznie wyrastające z powierzchni cyny monokrystaliczne włókna cynowe o średnicy rzędu pojedynczych mikrometrów i długości sięgającej od kilkudziesięciu mikrometrów do nawet kilku milimetrów.

Brzmi niegroźnie.. dopóki taki "wąs" nie zewrze dwóch sąsiednich wyprowadzeń i nie wyłączy z gry urządzenia elektronicznego. To jest realny problem, szczególnie dla urządzeń których nie można łatwo serwisować... bo np. akurat krążą po orbicie.

Zjawisko "wąsów" nie jest nowe, udokumentowano je w 1946 roku (wąsy kadmowe w kondensatorach powietrznych) i badano już od początku lat 50-tych XX wieku[1,8]. Wojsko USA w latach 90-tych XX wieku zmodyfikowało większość specyfikacji komponentów, zakazując pokryć z czystej cyny właśnie po to, aby ograniczyć ryzyko "whiskerów"[2]. Problem powrócił z impetem po wprowadzeniu dyrektywy RoHS (2006), która wymusiła odejście od stopu cynowo-ołowiowego (SnPb). Ołów, choć szkodliwy ekologicznie - okazał się skutecznym inhibitorem wzrostu wąsów cynowych. Eliminacja ołowiu oznaczała powrót do pokryć z niemal czystej cyny i lawinowy wzrost wystąpień wąsów cynowych.

To problem typowo niezawodnościowy, a nie produkcyjny. Wąs cynowy może wyrosnąć po miesiącach lub latach od montażu, w polu (na rynku), kiedy skutki będą bardzo kosztowne. Dlatego branże o wysokich wymaganiach: lotnicza, kosmiczna, obronna, medyczna i motoryzacyjna, traktują to zagrożenie bardzo poważnie.

Na koniec wstępu.. Niech symbolem problemu pozostaje awaria satelity Galaxy VII (HS-601) w 1998, gdzie wąsy cynowe w przekaźniku doprowadziły do zwarcia elektrycznego i awarii satelity - strata liczona w milionach dolarów. To wydarzenie skłoniło NASA Goddard Space Flight Center do wydania[2] ostrzeżeń branżowych NA-044 i NA-044A.

Jak powstają wąsy cynowe?

Warto zacząć od uczciwego zastrzeżenia, które powtarzają wszystkie poważne publikacje, łącznie z materiałami NASA[2,5] - pełny, uniwersalny mechanizm predykcji wzrostu wąsów cynowych nie jest w 100% wyjaśniony.

Najczęściej[8] przyjmuje się, że wąsy cynowe są rezultatem naprężeń ściskających w warstwie czystej cyny, jednkże jest wiele innych czynników rozważanych.

Cyna pod naprężeniem ściskającym dąży do uwolnienia energii, a jednym z mechanizmów relaksacji jest lokalna dyfuzja atomów cyny do ziaren przy wyższej temperaturze oraz przy granicach ziaren przy niższej temperaturze. Dyfuzja powoduje "wypychanie" atomów cyny z powierzchni i powstaje wtedy wąs.[6]

Charakterystyczne jest też okno temperaturowe. Wzrost przebiega najintensywniej w okolicach 50°C i zatrzymuje się w temperaturze powyżej 150°C.

Kluczowe źródła naprężeń, które mogą zainicjować powstawanie wąsów cynowych to:[2,6,8]

• Naprężenia resztkowe z procesu powlekania. Najbardziej podatne są powłoki galwaniczne (elektrolityczne) ze względu na wysokie gęstości prądu podczas powlekania.
• Naprężenia mechaniczne po powlekaniu. Gięcie cynowanych wyprowadzeń, nacisk w połączeniach typu press-fit, zaciskanie, dokręcanie śrub itp.
• Nieregularny wzrost warstw CuSn. Na granicy cyna-miedź narasta nieregularnie związek CuSn, generując lokalne naprężenia ściskające. To jeden z dominujących mechanizmów dla wyprowadzeń cynowanych na podłożu miedzianym.
• Niedopasowanie współczynników rozszerzalności cieplnej (CTE). Dobranie niewłaściwego materiału bazowego o znacząco innym CTE niż cyna. Wąsy cynowe obserwowano także z "dość nietypowymi" materiałami bazowymi takimi jak mika, szkło i papier.
• Zadrapania warstwy cynowanej. Zadrapania i ubytki we warstwie cyny spowodowane nieprawidłową obsługą (handlingiem).

Wąsy nie są nieograniczone tylko do samej cyny. Analogiczne struktury obserwuje się dla cynku, kadmu i innych metali. Cyna jest bardzo popularna w elektronice, więc wąsy cynowe są najczęściej spotykane właśnie w elektronice.

Tin whiskers w elektronice

W praktyce inżynierskiej ryzyko koncentruje się tam, gdzie występuje czysta cyna oraz podłoże generujące naprężenia lub dodatkowy stres mechaniczny. Wąsy cynowe rosną spontanicznie (nie jest wymagane pole elektryczne lub wilgoć). Mogą powstać krótko po procesie produkcji lub dopiero po wielu latach działania urządzenia.[2].

Najczęściej narażone elementy w elektronice to:

• Wyprowadzenia komponentów pokryte czystą cyną. Zwłaszcza rozwiązania "fine-pitch", gdzie odstępy są małe i wąs cynowy nie musi rosnąć długo, aby zewrzeć sąsiednie wyprowadzenia.
• PCB z pokryciem Cyna Chemiczna. Ten rodzaj pokrycia PCB to cienka warstwa czystej cyny (Sn) na miedzianym polu.
• Przekaźniki elektromagnetyczne. Historycznie najczęstszy sprawca poważnych awarii (wąsy na stykach) w przemyśle kosmicznym.
• Tranzystory w metalowych obudowach TO. Udokumentowano zwarcia kolektora do metalowej obudowy.[6]
• Końcówki kablowe i listwy zaciskowe, złącza typu press-fit. Wąsy cynowe powstają z powodu wystąpienia naprężeń mechanicznych, które co oczywiste - wynikają z samego procesu montażu.

Mechanizmy uszkodzeń są dwojakie. Pierwszy to zwarcie (mostkowanie) - przejściowe lub trwałe, w zależności od dostępnej energii. Drugi, znacznie groźniejszy, to łuk elektryczny powstały z odparowanego metalu z wąsa cynowego. Przy odpowiednio dużym napięciu i prądzie, najpierw odparowuje wąs, tworząc przewodzącą plazmę, która następnie podtrzymuje przepływ prądów o znacznie większej wartości.

Mitygacja - czyli co robić..

Branżowy konsensus jest jednoznaczny: nie da się zagwarantować, że wąsy cynowe nie urosną. Stosuje się więc strategię "obrony w głąb" - trzy filary: dobre praktyki materiałowe + kontrola procesu + testy weryfikacyjne. W zastosowaniach krytycznych GEIA-STD-0005-2 wymaga zwykle co najmniej dwóch niezależnych technik mitygacji dla narażonego elementu.

Najważniejsze techniki:

• Pokrycie Cyna-Ołów. W branżach objętych wyłączeniami RoHS (lotnictwo, obronność, kosmos, część zastosowań medycznych) stop cynowo-ołowiowy pozostaje najskuteczniejszą i najprostszą barierą. Ołów na poziomie >3% praktycznie blokuje pojawienie się wąsów cynowych. PCB można zamówić z pokryciem SnPb, a komponenty z pokryciem Sn poddać procedurze "Hot Solder Dip", czyli zanurzyć wyprowadzenia w ciekłym stopie SnPb.[2]
• Cyna matowa zamiast błyszczącej. Doświadczenie pokazuje, że satynowy lub matowy finisz cynowy, który charakteryzuje się większymi rozmiarami ziaren, ma niższe wewnętrzne naprężenia ściskające niż finisz cynowy błyszczący. Badania wykazały, że samo unikanie błyszczącego finiszu cynowego może ograniczyć powstawanie wąsów cynowych ponad dziesięciokrotnie.[7]
• Domieszki w cynie. Pokrycia cyną z dodatkami np. bizmutu ograniczają ryzyko względem czystej cyny.[7]
• Bariera niklowa. Matowa lub przetapiana cyna na podkładzie niklowym redukuje dyfuzję miedzi i obniża ryzyko whiskerów.[7]
• Wygrzewanie po pokryciu (annealing). Dodatkowa obróbka cieplna dla cyny na miedzi redukuje naprężenia resztkowe.
• Pokrycia z metali szlachetnych. Au na Pd/Ni lub Au na Ni eliminują wąsy cynowe.
• Lakierowanie (conformal coating). Powłoka ochronna spowalnia wzrost wąsów cynowych oraz ogranicza ryzyko zwarcia (mostkowania) do sąsiednich wyprowadzeń. Lakierowanie to półśrodek a nie rozwiązanie. Wąsy cynowe potrafią przebić bardzo cienkie lub nierównomiernie naniesione powłoki. NASA wprost ostrzega, że dla długotrwałych misji conformal coating jako jedyny środek mitygacji może być niewystarczający. Lakierowanie to jedna z dwóch "warstw obrony" przed tym zjawiskiem.
• Duży margines projektowy. Zwiększenie odstępów przewodzących tam, gdzie pozwala redukuje ryzyko wystąpienia awarii mimo pojawienia się wąsów cynowych.

Ciekawostka: NASA raportowała[6], że dodanie ołowiu do cyny powoduje znaczące ogranicznie zjawiska wąsów cynowych, ale nie eliminuje ich całkowice.

Standardy

Ważniejsze dokumenty poruszające temat wąsów cynowych:

• IPC/JEDEC JP002 Current Tin Whiskers Theory and Mitigation Practices Guideline.
• JEDEC JESD22-A121 Test Method for Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes.
• JEDEC JESD201 Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes.
• GEIA-STD-0005-1Performance Standard for Aerospace and High Performance Electronic Systems Containing Lead-free Solder
• GEIA-STD-0005-2 Standard for Mitigating the Effects of Tin Whiskers in Aerospace and High Performance Electronic Systems.
• NASA Advisory NA-044 / NA-044A NASA PARTS ADVISORY - Tin Whiskers

Podsumowanie

Wąsy cynowe to klasyczny przykład problemu, który łatwo zlekceważyć na etapie projektu i produkcji, bo nie ujawnia się on na linii montażowej ani w teście końcowym. Ujawnia się później.. czasem po wielu latach, na rynku (w polu), gdzie koszt awarii jest najwyższy, a w skrajnych przypadkach bywa katastroficzny.

Z inżynierskiego punktu widzenia należy pamiętać, że mechanizm powstawania wąsów cynowych nie jest w pełni zrozumiany, wzrost bywa nieprzewidywalny, a żaden pojedynczy środek (łącznie z lakierowaniem) nie daje 100% gwarancji. Dlatego standardy branżowe (JEDEC, IPC, SAE/GEIA, wytyczne NASA) zgodnie promują podejście wielowarstwowe: dobór materiałów o niskim ryzyku, kontrolę procesu, świadome unikanie czystej cyny w aplikacjach krytycznych oraz testy.

Dla inżyniera jakości i produktu praktyczny wniosek jest prosty: ryzyko wąsów cynowych należy świadomie adresować już na etapie doboru komponentów i definiowania procesu. Preferowanie barier niklowych, domieszek i tam gdzie to dozwolone, to stosowanie SnPb.

Branże o wysokiej niezawodności pokazały, że problemem da się zarządzać, nie przez nadzieję, że "nam się nie przydarzy", tylko przez dyscyplinę w projektowaniu i kontroli procesu. Fizyki wąsów nie da się "wyłączyć dyrektywą UE ;-)", tylko należy sprowadzić ryzyko do akceptowalnego poziomu, pod warunkiem, że potraktuje się je poważnie odpowiednio wcześnie.