В погоне за собственным хвостом


PDF версия

Конференция IPC по проблеме оловянных усов привлекла экспертов, желающих узнать самые последние новости, касающиеся этого сложного и зачастую запутанного вопроса.

Хотя я не настолько стар, чтобы помнить те дни, когда припои изготавливались в основном из олова (с ним легко работать, у него низкая температура плавления), я знаю, что уже тогда инженеры искали причины отказов электроники. В частности, они стали замечать мелкие металлические волоски между площадками припоя. Эти тонкие наросты, или «усы», вызывали короткие замыкания. Эта проблема была решена путем добавления в припой свинца, который приостанавливает рост волосков.
Впервые обнаруженная в начале 1950-х гг. и побежденная спустя несколько лет, проблема оловянных «усов», скорее, представлялась небольшим затруднением, а не тем серьезным препятствием, в который она превратилась теперь. За прошедшие с тех пор годы эта проблема не наблюдалась, а электронные устройства проникли практически во все сферы нашей жизни.
И вот сравнительно недавно, когда появились бессвинцовые припои, «джин был выпущен из бутылки». Нам снова приходится искать решение схожей проблемы.
Глядя на нее со стороны, можно попытаться оценить перспективы этих усилий. С моей точки зрения, они выглядят, как гонка собаки за собственным хвостом.
На недавней конференции, посвященной этому вопросу, собралось немало специалистов, что говорит о серьезности проблемы. Аудитория состояла из представителей многочисленных компаний, которым необходимо, чтобы электроника для военных приложений работала с высокой надежностью в течение нескольких десятилетий и была готова в любой момент выполнить возложенные на нее задачи. Присутствовало много военных поставщиков, несколько OEM-производителей медицинского оборудования и автомобильной электроники, которые также сталкиваются с проблемами надежности и долговечности.
Среди участников конференции были такие компании как Celestica, Cessna, DDi (сейчас Viasystems), Delphi, Draeger Medical, DRS, EADS, Fugitsu, Goodrich, Honeywell Aerospace, L-3, Lockheed Martin, Molex, Moog, Murrietta Circuits, NASA, NPL, Northrup Grumman, Philips Healthcare, Raytheon, Robert Bosch, Rockwell Collins, Texas Instruments, U.S. Army, Uyemura и др. (всего 95). Как видно из этого списка, присутствовало только несколько поставщиков материалов, два изготовителя плат и один поставщик контрактных услуг. В то же время на встречу не приехали поставщики припоев и финишных покрытий — компании TTM, Endicott Interconnect, Sparton, Flextronics и Sanmina. Материалы этих двух групп поставщиков были в центре дискуссии.
Чем сложнее решение проблемы, тем больше вероятность того, что она вновь всплывет. Недаром многие мудрые специалисты призывают воспользоваться лучшим из простейших решений.
С моей точки зрения, ситуация с проблемой наростов только усугубляется. Переход на бессвинцовое производство, который вынудил отрасль отказаться от уже найденного решения проблемы, привел к появлению десятков вариаций припоев, а еще несколько десятков находится в разработке. Причиной такого большого количества альтернативных вариантов является то, что все они имеют недостатки. Ни один из них не работает так, как долгое время работал свинцовый припой.
Поскольку новые припои плавятся при существенно более высокой температуре, поставщики вынуждены разрабатывать новые материалы. В результате появились проблемы, например, с растворением меди, проблемы монтажа компонентов, выводы которых расположены с нижней стороны платы, и стали появляться лунки на контактных площадках. Вдобавок ко всему, современные устройства становятся миниатюрнее. Уменьшение размеров требует новых материалов, которые должны быть совместимы со всеми остальными элементами монтажа.
Теперь, когда все составляющие проблемы выявлены, остается надеяться на лучшее.

Есть ли выход?

«Мы работаем в этом направлении!» — таков был посыл презентации Вернера Хюгеля (Werner Huegel) из компании Bosch, которая пытается решить данный вопрос с начала 2000-х гг., чтобы обеспечить высокую надежность своих изделий. По словам Хюгеля, продукцию Bosch можно найти в любом автомобиле, поэтому ставка для компании очень велика. И хотя статистические данные Bosch, полученные за последние четыре-пять лет, обнадеживают отсутствием наростов, представителям военной и авиакосмической промышленностей требуется стопроцентная безотказность оборудования на протяжении не менее 30 лет.
Компании Bosch удалось в целом решить эту проблему путем жесткого контроля над процессом металлизации выводов компонентов. Если партнеры-поставщики будут следовать этим строгим требованиям, проблема оловянных усов исчезнет. Хюгель отказался раскрыть подробности технологии, однако, по его словам, компания готова поделиться с аудиторией спецификациями и документацией относительно металлизации компонентов.
Другим запомнившимся событием на конференции стала презентация Рассела Холлмана (Russell Hallman) из Комплекса национальной безопасности Y-12, недавно начавшего работать над проблемой наростов с группой исследователей. Они проводят фундаментальное исследование вопроса, тщательно изучая композицию сплавов. Им удалось манипулировать зернистой структурой припоев SAC с помощью магнитов, которая, похоже, имеет определяющее влияние на возможность формирования усов.

Решение для 10%

Хотя представители военной и авиакосмической отраслей не связаны ограничениями RoHS и бессвинцовой электроники, им приходится отстаивать право на получение свинцовых материалов и компонентов, позволяющих избежать появления губительных металлических волосков, которые уничтожают системы стоимостью в миллиарды долларов. Эти люди, представляющие 10% отрасли, зависят от причуд таких доминирующих сегментов рынка как, например, потребительская электроника. Они понимают, что у свинцовосодержащих материалов нет будущего и хотят понять, как им работать с бессвинцовыми припоями.
На конференции была высказана пара интересных идей о возможном возврате военных и авиакосмических компаний с рынка готовых коммерческих компонентов (COTS) в сегмент проприетарных моделей, чтобы обеспечить длительный срок службы и надежность своих систем.
Другая, возможно, более интересная идея состоит в следовании принципу «запланированного устаревания», согласно которому каждые пять лет все электронные системы будут полностью заменяться, прежде чем успеют появиться нитевые наросты. По-видимому, такое решение имеет много преимуществ, т.к. в течение каждого цикла могут произойти большие технологические скачки. Кроме того, в системах станут использоваться новейшие и лучшие технологические достижения, что, вероятно, уменьшит потребность в новых разработках. В конце концов, после того как будет найдено окончательное решение, можно будет вернуться к традиционным способам эксплуатации оборудования, но, вероятно, привычка регулярно обновлять системы станет доминирующей.

Беспаечная сборка

За два дня конференции мне так и не удалось увидеть нового взгляда на производство. Я ожидал услышать серьезные дискуссии о новых подходах к производству электроники, которое необходимо полностью перестроить. Нам очень трудно будет сделать это, занимаясь тем, что мы делаем сейчас.
По словам Джо Фьелстада (Joe Fjelstad), президента компании Verdant Electronics, которая разрабатывает Occam Process — новый процесс сборки бессвинцовой электроники, — частные презентации этой технологии не заинтересовали некоторых участников конференции. Посещение их предприятий и беседы с инженерами не дали никаких результатов: компании целиком заняты решением текущих задач и не имеют возможности заниматься чем-то вроде Occam. Кроме того, большинство компаний жалуется на урезанные бюджеты, выделенные на проекты по борьбе с оловянными усами.
Думаю, наступит критический момент, когда заинтересованные компании смогут выбить финансирование на необходимые НИОКР. На мой взгляд, именно коммерческий рынок сделает возможной реализацию технологии вроде Occam, которая позволит решить технические и финансовые проблемы. Представители военной или авиакосмической промышленностей не пробьют стену раньше, чем, скажем, поставщики Apple, которые ежегодно удваивают или утраивают производительность выпускаемых устройств.
После многочисленных выступлений представителей крупнейших компаний, рассказавших о том, что они делают, чтобы решить вопрос образования наростов, у меня возникло впечатление, что, если и есть свет в конце тоннеля, то это свет встречного поезда. Представителям отрасли придется еще не раз встретиться, чтобы этой проблеме, наконец, было уделено должное внимание. Директива RoHS заработала почти шесть лет назад, т.е. примерно тогда, когда нитевые наросты стали делать свое разрушительное дело. Похоже, понадобится еще несколько лет, чтобы эта проблема была решена.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *