Образование усов из металла — это явление, которое происходит в электрических устройствах, когда металлы со временем образуют длинные выступы, похожие на усы. Усы из олова были замечены и задокументированы в эпоху вакуумных ламп в электронике в начале 20-го века в оборудовании, которое использовало чистый или почти чистый оловянный припой в своем производстве. Было замечено, что небольшие металлические волоски или усики вырастают между металлическими контактными площадками припоя, вызывая короткие замыкания . Усы из металла образуются при наличии сжимающего напряжения. Были задокументированы германиевые , цинковые , кадмиевые и даже свинцовые усы. [1] Для смягчения этой проблемы используются многие методы, включая изменения в процессе отжига (нагревание и охлаждение), добавление таких элементов, как медь и никель, и включение конформных покрытий . [2] Традиционно свинец добавлялся для замедления роста усов в припои на основе олова.
После принятия Директивы об ограничении использования опасных веществ (RoHS) Европейский союз запретил использование свинца в большинстве потребительских электронных товаров с 2006 года из-за проблем со здоровьем, связанных со свинцом, и проблемы «высокотехнологичного мусора», что привело к повторному вниманию к проблеме образования усов в бессвинцовых припоях .
Образование усов на металле — это кристаллическое металлургическое явление, включающее спонтанный рост крошечных нитевидных волосков на металлической поверхности. Эффект в первую очередь наблюдается на элементарных металлах, но также встречается и в сплавах .
Механизм роста металлических усов не совсем понятен , но, по-видимому, ему способствуют сжимающие механические напряжения , в том числе:
Металлические усы отличаются от металлических дендритов несколькими аспектами: дендриты имеют форму папоротника и растут по поверхности металла, в то время как металлические усы похожи на волосы и выступают перпендикулярно поверхности. Для роста дендритов требуется влага, способная растворить металл в растворе ионов металла, которые затем перераспределяются посредством электромиграции в присутствии электромагнитного поля . Хотя точный механизм образования усов остается неизвестным, известно, что для образования усов не требуется ни растворения металла, ни присутствия электромагнитного поля.
Усы могут вызывать короткие замыкания и искрение в электрооборудовании. Это явление было обнаружено телефонными компаниями в конце 1940-х годов, и позже было обнаружено, что добавление свинца к оловянному припою обеспечивает смягчение. [6] Европейская директива об ограничении использования опасных веществ (RoHS), вступившая в силу 1 июля 2006 года, ограничила использование свинца в различных типах электронного и электрического оборудования. Это привело к использованию сплавов без свинца с акцентом на предотвращение образования усов . Другие сосредоточились на разработке покрытий, препятствующих образованию усов, для предотвращения образования усов. [7]
Цинковые усы, находящиеся в воздухе, стали причиной повышенного уровня отказов систем в компьютерных серверных комнатах . Цинковые усы растут на оцинкованных (гальванизированных) металлических поверхностях со скоростью до миллиметра в год, а их диаметр составляет несколько микрометров. Усы могут образовываться на нижней стороне цинковых гальванизированных плиток для пола на фальшполах. Затем эти усы могут оказаться в воздухе в межпотолочном пространстве пола , когда плитки нарушаются, как правило, во время технического обслуживания. Усы могут быть достаточно маленькими, чтобы проходить через воздушные фильтры и осаждаться внутри оборудования, что приводит к коротким замыканиям и отказу системы. [8]
Оловянные усы не обязательно должны находиться в воздухе, чтобы повредить оборудование, поскольку они, как правило, уже растут непосредственно в среде, где они 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 сопротивление цепи и вызывая отражения. В компьютерных дисководах они могут отламываться и вызывать поломки головок или подшипников. [9] Оловянные усы часто вызывают отказы в реле и были обнаружены при обследовании неисправных реле на объектах ядерной энергетики . [10] Кардиостимуляторы были отозваны из-за оловянных усов. [11] Исследования также выявили особый режим отказа оловянных усов в вакууме (например, в космосе), где в мощных компонентах замыкающий оловянный ус ионизируется в плазму, которая способна проводить сотни ампер тока, значительно увеличивая разрушительный эффект короткого замыкания. [12] Возможное увеличение использования чистого олова в электронике из-за директивы RoHS побудило JEDEC и IPC выпустить стандарт приемочных испытаний на наличие оловянных усов и руководство по методам смягчения последствий, призванное помочь производителям снизить риск появления оловянных усов в продуктах без содержания 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 влажностью . Такие атмосферы могут существовать на очистных сооружениях и бумажных фабриках .
Усы длиной более 20 мкм были обнаружены на позолоченных поверхностях и отмечены во внутреннем меморандуме НАСА за 2003 год. [14]
Эффекты образования металлических усов были запечатлены в программе Engineering Disasters 19 на канале History Channel. [15]
Для уменьшения или устранения роста усов используются различные подходы, и в этой области продолжаются исследования.
Конформные составные покрытия не позволяют усам проникать через барьер, достигать близлежащего конца и образовывать короткое замыкание. [12]
В контролируемых испытаниях было показано, что финишные покрытия из никеля, золота или палладия исключают образование усов. [16]
Galaxy IV был телекоммуникационным спутником, который был выведен из строя и потерян из-за коротких замыканий, вызванных усами олова в 1998 году. Первоначально считалось, что причиной отказа стала космическая погода , но позже было обнаружено, что конформное покрытие было нанесено неправильно, что позволило усам, образовавшимся в чистом оловянном покрытии, найти свой путь через отсутствующую область покрытия, что привело к отказу главного управляющего компьютера. Производитель, Hughes, перешел на никелевое покрытие вместо олова, чтобы снизить риск роста усов. Компромиссом стало увеличение веса, добавив от 50 до 100 килограммов (от 110 до 220 фунтов) на полезную нагрузку. [17]
17 апреля 2005 года атомная электростанция Миллстоун в Коннектикуте была остановлена из-за «ложной тревоги», которая указывала на небезопасное падение давления в паровой системе реактора, когда давление пара было фактически номинальным. Ложная тревога была вызвана оловянным усом, который закоротил плату логики, отвечающую за мониторинг линий давления пара на электростанции. [18]
В сентябре 2011 года три исследователя НАСА заявили, что они обнаружили оловянные усы на датчиках положения акселератора [19] отобранных моделей Toyota Camry , которые могли способствовать авариям с «заклиниванием акселератора», произошедшим с некоторыми моделями Toyota в 2005–2010 годах. [20] Это противоречило более раннему 10-месячному совместному расследованию Национальной администрации безопасности дорожного движения (NHTSA) и большой группы других исследователей НАСА, которые не обнаружили никаких электронных дефектов. [21]
В 2012 году NHTSA заявила: «Мы не считаем, что оловянные усы являются правдоподобным объяснением этих инцидентов... [вероятной причиной было] неправильное нажатие педали ». [22]
Toyota также утверждает, что оловянные усы не были причиной каких-либо проблем с заклиниванием акселератора: «По словам министра транспорта США Рэя Лахуда, «Вердикт вынесен. Электроника не является причиной непреднамеренного ускорения на высокой скорости в автомобилях Toyota. Точка » . Согласно пресс-релизу Toyota, «нет данных, указывающих на то, что оловянные усы более склонны к появлению в автомобилях Toyota, чем в любых других автомобилях на рынке». Toyota также заявляет, что «их системы изначально разработаны для снижения риска образования оловянных усов». [23]
