Внутри вашей электроники могут скрываться настоящие монстры — микроскопические щупальца из чистого олова, способные вызывать короткие замыкания и выход из строя целых систем. Речь идет о так называемых «оловянных усах» (tin whiskers) — явлении, которое не является вымыслом, а представляет собой реальную угрозу, связанную с бессвинцовыми оловянными покрытиями.
Как это происходит? Чистое олово обладает способностью спонтанно формировать нитевидные кристаллические наросты — «усы». Их толщина невидима для человеческого глаза (всего 1–10 микрон), но длина может достигать 10 миллиметров. Эти усики могут расти из любой области с чистым оловом: с покрытия компонента или с оловянного покрытия печатной платы. Под воздействием электрического поля они стремятся к соседним проводникам, создавая мостики и вызывая короткие замыкания. В слаботочных цепях это может годами проявляться как необъяснимые периодические сбои (усы то растут, то плавятся). Если же энергии достаточно, короткое замыкание может привести к образованию плазмы и каскадному отказу множества компонентов. Проблема сравнима с тем, как незаметная искра может привести к масштабному пожару.
Феномен оловянной чумы
Почему металл ведет себя столь коварно? Надежно установлено, что при температуре около +13,2°C олово претерпевает фазовый переход: его тетрагональная β-фаза превращается в кубическую α-фазу. Этот процесс разрушает макроструктуру металла, превращая его в серый порошок. Скорость превращения резко возрастает при понижении температуры, а контакт уже образовавшейся кубической фазы с обычным оловом может катализировать процесс даже при более высоких температурах. Поскольку на поверхности металла при этом появляются характерные повреждения, похожие на язвы, явление получило историческое название «оловянная чума».
Этот феномен известен человечеству с древности и был описан еще Аристотелем. Согласно историческим хроникам, оловянная чума могла стать одной из косвенных причин поражения армии Наполеона в России — на сильном морозе оловянные пуговицы, посуда и другие предметы просто рассыпались в порошок.
Обратите внимание: Путешествие по квантовому миру.
Ненадежность пайки на основе олова считается одной из причин трагического исхода антарктической экспедиции Роберта Скотта. В марте 1912 года, при температуре около -70 градусов, Скотт писал в предсмертной записке: «…Я думал, что шансов нет. Мы решили не убивать себя и боролись до последнего момента, чтобы добраться до лагеря. Смерть безболезненна в бою, так что не беспокойтесь обо мне.»
Современные проявления и причины
Несмотря на развитие технологий, проблема не искоренена и по сей день проявляется коварно и непредсказуемо. Оловянные аллотропы могут в одно мгновение разрушить работу системы по самым неочевидным причинам. Фазовый переход и рост усов могут быть спровоцированы не только низкой температурой, но и целым рядом других факторов: контактом с катализаторами (например, соединениями ртути), диффузией ионов меди, воздействием собственной оксидной пленки, ионизирующим излучением, вибрацией и высокой влажностью. Предсказать момент возникновения проблемы практически невозможно: случаи короткого замыкания фиксировались и через 5 дней, и через 5 лет после начала эксплуатации устройства.
Сбои, самопроизвольные перезагрузки и потери данных, вызванные микроскопическими короткими замыканиями, сложно подсчитать, но даже в бытовой технике и персональных компьютерах «оловянные усы» остаются одним из ключевых источников проблем. В России, несмотря на суровый климат, проблема также актуальна. Ярким примером масштаба ущерба стал инцидент 2006 года, когда компания SWATCH была вынуждена отозвать у дилеров партию часов на сумму около $1 млрд из-за подобных дефектов! Однако последствия могут быть куда серьезнее финансовых потерь:
• С 1975 по 1989 год фиксировался рост числа отказов кардиостимуляторов, вызванных оловянными усами. Регуляторы обратили на это внимание, но проблема до конца не решена.
• Аварии на атомных электростанциях, связанные с этим явлением, происходили на Дрезденской АЭС, Южно-Техасской АЭС и АЭС Миллстоун.
• Выход из строя спутников связи: PAS-4, DirecTV 3, SOLIDARIDAD, GALAXY IV.
• Ошибки систем наведения ракет «Феникс» и «Патриот» — ирония в том, что высокотехнологичное оружие может быть выведено из строя микроскопическими кристаллами олова.
Это лишь наиболее громкие случаи, ставшие достоянием общественности после расследований.
Выводы и перспективы
Описанные проблемы носят чрезвычайно серьезный, а подчас и пугающий характер. Если при пайке мы еще можем как-то выбирать материалы, то многие современные электронные компоненты изначально производятся с бессвинцовыми покрытиями, и альтернативы им нет. Остается лишь искать способы минимизации рисков, такие как использование легирующих добавок, специальных покрытий или особых конструктивных решений. Этим существующим методам борьбы с оловянной чумой и усами будет посвящена одна из будущих публикаций.
Автор - Георгий Александров
Эта статья была написана для пользователей CatScience. Мы тоже в корзине.
Подпишитесь, чтобы не пропустить новые публикации!
UPD:
Авторский дзен
[Моя] Технология Пайка олова Наука Физическая химия Наука о длинных кошках 419Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Шествие чумы или усики в ваших….