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-го 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. Были зарегистрированы усы германия , цинка , кадмия и даже свинца . [1] Для решения этой проблемы используется множество методов, включая изменения в процессе 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 .
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:
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.
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. Эти усы могут затем попасть в воздух внутри перекрытия пола, 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 обычно 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 , влияя на импеданс схемы 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 были отозваны 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 разрушительный эффект короткого замыкания. [12] Возможное увеличение использования чистого олова в электронике из-за директивы RoHS побудило JEDEC и IPC выпустить стандарт приемочных испытаний оловянных усов 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 программе «Инженерные катастрофы 19» канала History Channel. [15]
Для уменьшения или устранения роста усов используется несколько подходов, при этом исследования в этой области продолжаются.
Конформные составные покрытия не позволяют усам проникнуть через барьер, достичь ближайшего окончания и образовать короткое замыкание. [12]
В контролируемых испытаниях было показано, что оконечные покрытия из никеля, золота или палладия исключают образование «усов». [16]
Galaxy IV был телекоммуникационным спутником, который был выведен из строя 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]
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]
В сентябре 2011 года трое следователей НАСА заявили, что они обнаружили оловянные усы на датчиках положения акселератора [19] выбранных моделей Toyota Camry , которые могли способствовать авариям с «застреванием 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 НАБДД 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. Никаких электронных причин для непреднамеренного ускорения на высокой скорости в Toyota нет». 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]
