Ответ на пост «"Фууу, что это за плесень?" или " Как усики из металлов мешают работать электронике?"»2
Тут коллеги, продвигающие инженерный хаб @hubdelo выкатили пост про нитевидные кристаллы (они же "усы", "вискеры"). И почитав комментарии я хочу немного расширить кругозор аудитории. Ну и надеюсь подписанные на меня инженеры поправят меня.
Есть разные интересные явления, про которые уже знают материаловеды. Потому что предшествовало этому "АААааа пиздец все сломалось, мы не знаем почему, все делали правильно!!!!1111" И в процессе дотошного расследования, изучения того, что осталось, натыкались на разные явления. Давайте познакомлю с некоторыми из них:
Оловянная чума.
Олово имеет аллотропные модификации, как например углерод. Алмаз и графит сделаны из одинаковых атомов углерода, но в по-разному построенных кристаллических решетках, поэтому один прозрачен и тверд, а второй черный и жирный. И если есть подходящие условия, то вещество может из одной формы переходить в другую. Так и олово при комнатной температуре находится в виде β-формы ("белое олово"), твердого блестящего металла. При температуре ниже +13С оно может переходить в α-форму ("серое олово") - серого рыхлого порошка, как на фото справа. Но процесс этот крайне медленный, и заметным становится при сильном (-30С) морозе или при наличии загрязнителей. В частности автор этого фото (http://www.periodictable.ru/ горячо рекомендую) для ускорения процесса добавил на правый конец кусочек антимонида индия, как затравку.
С последствиями оловянной чумы столкнулась экспедиция ТерраНова полярника Скотта. Представьте, вы посреди ледяной пустыни возвращаетесь замерзшие, к ранее разбитому лагерю с припасами, а там все топливо вытекло. Потому что жестяные банки тогда запаивали оловом.
Сейчас с этим борются добавками разных металлов. Так достаточно добавить примерно 2% висмута и проблема больше не появится.
2. Нитевидные кристаллы.
Они же "усы", они же "вискеры". Самопроизвольно вырастают из разных покрытий (не только олово, усы дают покрытия из цинка, кадмия, серебра, золота) тончайшие и длинные кристаллики.
Причем, это именно кристаллики - они имеют идеальную структуру, поверхность. Их прочность близка к теоретическому максимуму и ученые мечтают научиться их выращивать по заказу, пока получается с переменным успехом. Но инженеры от них не в восторге, просто посмотрите какой пиздец:
Проектируешь печатную плату, делаешь зазор в 8 мм, что дофига, а тут из лужения спустя несколько лет вырастает такой кристаллик и устраивает короткое замыкание. Причем, в зависимости от цепи, может устраивать как временные, самоустраняющиеся неисправности, если цепь сигнальная, так и стать инициатором дуги, с последующим фейверком. Гарантированного рецепта предотвращения роста усов нет, но есть шаманские практики, соблюдение которых сводит вероятность их появления к минимуму. Например добавление более 3% свинца к олову. Но против этого выступают экологи (гуглить "ROHS"), поэтому приходится снова развлекаться с добавлением висмута.
3. Электрохимическая миграция
Явление, когда при наличии влажности, загрязнений и приложенного напряжения, на катоде начинает расти кристалл металла дендритной формы. Он тоже может устроить короткое замыкание.
Кристаллы появляются только под напряжением, в отличии от усов. При определенных условиях, могут прорастать ВНУТРИ диэлектрика
Рецепт борьбы - тщательная отмывка печатной платы от следов флюса, отпечатков от пальцев. Защита от пыли (которая хорошо удерживает влагу) и покрытие всего защитным лаком. "Безотмывочные" флюсы надо отмывать, если хотите долгой работы:
4. Электромиграция.
С этим эффектом сталкиваются разработчики микросхем. Слои металла там микроскопические, а токи, по местным масштабам, огромные.
Если объяснять суть эффекта пятилетнему ребенку - в металле, между атомов перемещаются электроны. Иногда эти электроны могут дать атому пенделя в сторону своего движения. Если электронов движется много, температура высокая - то вполне можно напинать ощутимую горку атомов в одном месте с образованием ямы в другой.
Поэтому процессор в вашем компьютере может умереть в один прекрасный день, особенно если он горяч, а техпроцесс его тонок. Вообще температура - основной ускоритель процессов, в том числе приводящих к старению и отказу электроники.
5. Диффузия
Вы разработали красивую печатную плату с контактами по краю, и решили шикануть на все деньги и покрыть медные дорожки, в том числе и контакты золотом. Это и защита от коррозии, и обеспечение хорошего контакта, и паяется такая плата отлично. Но что же происходит:
Красивое золотое покрытие очень быстро исчезает - из-за взаимной диффузии меди и золота. Поэтому при покрытии золотом, создают разделительный слой из никеля - он препятствует взаимной диффузии.
Объявляю срач в комментариях открытым) Наде наброшу в виде плашки для донатов:
