Czym grożą wąsy cynowe i jak ich unikać?

Pierwsze wzmianki o wąsach cynowych są datowane na lata 40. ubiegłego wieku, nie jest to zatem nowy problem. Mimo tak długiego czasu ich "obecności" oraz licznych badań, które im poświecono, wciąż trudno jest je jednak jednoznacznie opisać. Podobnie nadal nie ma jasności co do tego, w jakich warunkach najczęściej powstają, a w jakich najszybciej się rozrastają.

Fot. 1. Włosowate struktury formują się nie tylko na powierzchni cyny. W grupie metali, na których również mogą tworzyć się wąsy, są m.in.: cynk, kadm, srebro, złoto oraz ich niektóre stopy

Włosowate struktury bywają proste, zagięte, zapętlone albo rozwidlone, a ich powierzchnia jest często rowkowana. Nieprzewidywalny jest również moment, w jakim się rozwijają - czasem pierwsze wąsy formują się już po kilku dniach, a czasem muszą minąć całe lata, nim to nastąpi. Gdy się już pojawią, także rozrastają się z różną szybkością, od setnych części milimetra na rok do kilku milimetrów w ciągu roku.

To ostatnie zależy m.in. od: grubości metalu, materiału podłoża oraz warunków otoczenia. Poza długością różnią się również średnicą. Typowo jest to kilka mikrometrów, chociaż zdarzały się struktury cynowe o średnicy przekraczającej 10 mikrometrów. Zwykle nie są one jednak cieńsze niż 100 nm.

Przyczyny powstawania wąsów cynowych do dziś nie zostały całkowicie rozpoznane. Ukazała się już na ten temat ogromna liczba publikacji i zajmują się nimi liczne zespoły w instytucjach naukowych i w przemyśle. Brak jak dotąd testu, który mógłby dokładnie wykazywać zależność powstawania wąsów od technologii tworzenia pokryć galwanicznych, lutowania i od składu stopu lutowniczego.

W cyklu projektowania i produkcji układów elektronicznych uczestniczy obecnie kolejno wiele różnie wyspecjalizowanych firm i poddostawców, co końcowym producentom daje ograniczone rozeznanie w składzie surowcowym i parametrach materiałów, których używają w swoich wytworach. Na przykład wykonywanie układów na poczekaniu oraz korzystanie z materiałów prosto z półki jest obecnie codziennością. Konsekwencją tej praktyki jest konieczność stosowania podzespołów sprawdzanych w stopniu ograniczonym, a nawet wcale. Parametry podzespołów z półki są znane w niewielkim zakresie, a od ich dostawców niekiedy nie są wymagane informacje o zmianach technologicznych i materiałowych. Zatem finalny producent często może nie znać podatności swoich produktów na występowanie wąsów cynowych, a w rezultacie ich niezawodności.

Wciąż jest wiele niejasności

Wnioski z niektórych badań dowodzą, że optymalną temperaturą dla rozwoju tych struktur jest około +50ºC, z kolei inne wskazują, że najszybciej wzrastały one w temperaturze pokojowej. Jeżeli natomiast chodzi o ciśnienie, to nie stwierdzono specjalnego wpływu ani próżni, ani ciśnienia atmosferycznego - w obu przypadkach wąsy cynowe rozwijają się bez przeszkód. Odnośnie do wilgotności zdania są z kolei podzielone. Podczas testów zdarzało się, że wąsy cynowe wzrastały szybciej, gdy zawartość wilgoci w powietrzu była duża (rzędu 80%), innym razem zmiana wilgotności nie wpływała na postęp tego procesu w ogóle. Podobnie sprzeczne wyniki uzyskiwano, poddając je zmianom temperatury. Brak jest ponadto konkretnych dowodów na to, że pole elektryczne w jakikolwiek sposób zmienia tempo wzrostu tych struktur. Nadal jednoznacznie nie opisano też mechanizmu powstawania wąsów cynowych.

Jak powstają wąsy cynowe?

Najwięcej zwolenników ma teza, że główną przyczyną są wewnętrzne naprężenia, które występują w powłoce metalu. W pewnych skrajnie niekorzystnych warunkach mogą one osiągnąć poziom krytyczny. Wówczas, w celu zredukowania skumulowanej w nich dużej ilości energii, dochodzi do uformowania się wąsa. Źródła naprężeń są różne. Duży wpływ ma m.in. specyfika procesu nanoszenia powłoki cynowej i dyfuzja materiału podłoża w obrębie metalu oraz dyfuzja metalu w głąb podłoża. Zjawisko to skutkuje powstaniem związków międzymetalicznych, na przykład miedzi z cyną. Naprężenia powstają także w wyniku oddziaływań mechanicznych z zewnątrz, tzn. ściskania, rozciągania, nacisków oraz uszkodzeń powłoki (rys, pęknięć) tworzących się w czasie jej obróbki. Ich źródłem jest również niedopasowanie współczynników rozszerzalności cieplnej powłoki i podłoża.

Dlaczego te struktury są groźne?

W przeciwieństwie do wciąż niejednoznacznych przyczyn powstawania wąsów cynowych, skutki ich obecności w urządzeniach elektronicznych można dokładnie określić. W obwodach elektrycznych niskonapięciowych o dużej impedancji natężenie prądu bywa zbyt małe, aby zniszczyć wąs cynowy. W zależności od ich długości oraz średnicy przez te włosowate struktury może bowiem płynąć prąd nawet o natężeniu powyżej kilkudziesięciu mA.

W takich wypadkach w sposób ciągły zwierają one sąsiadujące elementy elektroniczne. Groźne są też jednak zwarcia chwilowe, gdy wąsy cynowe po pewnym czasie ulegają spaleniu. Oprócz tego włosowate struktury kruszą się i rozsypują. Takie zanieczyszczenia na powierzchni PCB są niepożądane z wielu powodów, m.in. wpływają na właściwości termiczne płytki, komponentów i ścieżek, na pracę elementów optoelektronicznych oraz układów MEMS.

Istnieje wiele udokumentowanych przypadków awarii urządzeń elektronicznych spowodowanych przez wąsy cynowe. Przykłady można znaleźć na stronie internetowej NASA poświęconej tym strukturom (adres tej witryny podajemy na końcu tekstu).

Przykłady awarii

Fot. 2. Wąsów cynowych nie należy mylić ze strukturami przypominającymi dendryty neuronów, które formują się w procesie migracji elektrochemicznej. Różnią się one przede wszystkim kierunkiem wzrostu. Wąsy rozrastają się "w górę" od danej powierzchni (wzdłuż osi z), natomiast te drugie tworzą się w tej samej płaszczyźnie (wzdłuż osi x i y). Oprócz tego różnią się kształtem. Wygląd wąsów cynowych scharakteryzowano we wstępie artykułu, te drugie natomiast tworzą płaskie wzory przypominające motyw płatka śniegu albo liścia paproci. W dodatku inne są również mechanizmy ich powstawania. Aby uformowały się dendryty wymagana jest wilgoć, która rozpuści metal, na przykład cynę. Struktury te tworzą się następnie w wyniku przemieszczania się jonów metalu z tego roztworu pod wpływem pola elektromagnetycznego. Wąsy cynowe powstają natomiast samorzutnie, a wpływu czynników, dzięki którym powstają dendryty, na wzrost tych włosowatych struktur nie udało się na razie udowodnić.

W latach 90. odnotowano m.in. kilka awarii satelitów komercyjnych (Galaxy IV), których przyczyną było uszkodzenie głównego procesora, jednostki zapasowej albo obu tych komponentów jednocześnie. W tym drugim przypadku oznaczało to koniec misji i utratę kontroli nad satelitą. Powodem tych problemów było zwarcie obwodów przez wąsy cynowe powstałe na platerowanych tym metalem przekaźnikach elektromagnetycznych.

Inny przykład to nieuzasadnione automatyczne wyłączenie reaktora w jednej z amerykańskich elektrowni nuklearnych, które nastąpiło w 2005 roku. Został on zatrzymany, kiedy system sterowania wykrył nagłe i duże zmniejszenie się ciśnienia w przewodach parowych, co mogło oznaczać, że któryś z nich został uszkodzony. Jak się jednak okazało, żaden z używanych rurociągów nie był przerwany, a ciśnienie pary nim transportowanej było w normie.

Co więcej, nie stwierdzono też żadnych widocznych uszkodzeń karty pomiarowej, z której sygnał uruchomił procedurę awaryjną. Mimo to odczyty wartości ciśnienia wciąż były błędne. Zagadkę rozwiązano dopiero wtedy, gdy kartę dokładnie sprawdzono pod mikroskopem. Stało się wtedy jasne, że nie działała ona prawidłowo z powodu zwarcia jej ścieżek sygnałowych przez cynowe wąsy.

Jak uniknąć wąsów cynowych?

Aby zapobiec, a przynajmniej spowolnić, wzrost wąsów cynowych, należy unikać używania czystej cyny, zastępując ją stopem tego metalu z innymi. Przykładem jest stop cyny z ołowiem o zawartości tego ostatniego co najmniej 3% wagowo. Wprawdzie badania pokazują, że powłoki wykonane z takiego materiału nie są całkiem wolne od wąsów cynowych, to jednak struktury te są w tym wypadku znacznie krótsze niż te formujące się na powłokach cynowych. Od czasu wprowadzenia dyrektywy RoHS użycie ołowiu jest jednak problematyczne i dozwolone tylko dla niektórych grup urządzeń. Na szczęście wciąż opracowywane oraz testowane są nowe metody zapobiegania powstawaniu wąsów cynowych.

Przykładem jest dodanie warstwy podkładu z niklu pomiędzy powłoką cynową a metalem bazowym, tj. miedzią. Zadaniem tej pośredniczącej powłoki jest zmniejszenie naprężeń w warstwie cyny. Zamiast niklu można także użyć srebra. Mniejsze naprężenia wewnętrzne oraz większe rozmiary cząstek (do kilku μm w porównaniu z poniżej 1 μm w wypadku "zwykłej" cyny) to z kolei cechy charakteryzujące tzw. cynę matową (czyli o zawartości węgla rzędu tysięcznych części %, w porównaniu z około 0,2-1% w wypadku cyny "zwykłej"). Dzięki nim rzadziej na jej powierzchni tworzą się wąsy.

Alternatywa

Zastępstwem dla ołowiu może być natomiast bizmut. Zalecane jest użycie stopu tego metalu z cyną o zawartości tego pierwszego nieprzekraczającej 2-4% wagowo. Inne sposoby to hermetyzacja albo zabezpieczenie PCB powłoką konformalną. Ta ostatnia powinna spełniać kilka kryteriów.

Przede wszystkim materiał pokrycia musi spowalniać proces formowania się wąsów cynowych. Ponadto powinna ona uniemożliwiać "przebicie" się na zewnątrz, tzn. nad jej powierzchnię tych włosowatych struktur, które mimo wszystko się wytworzą i ich dalszy wzrost ponad nią. Powłoka musi także chronić elementy PCB przed okruchami wąsów cynowych. Aby ochrona w tej postaci była skuteczna, warstwa materiału, którego przykładami są akryl i silikon, powinna być odpowiednio gruba. Należy przy tym uważać, żeby powłoka nie zaburzyła procesu oddawania ciepła wydzielanego w obrębie PCB do otoczenia.

Monika Jaworowska