Příčiny vzniku whiskerů cínu a řešení problémů s testováním, pozorováním a vyhodnocováním

Problémy a historie whiskerů

Whiskery vznikající na elektrickém obvodu nebo spoji mohou způsobit zkrat, který by mohl vést k poruše elektrického výrobku, elektronického obvodu nebo elektronického zařízení.
V roce 1946 došlo u výrobků na trhu k řadě poruch způsobených zkratem v rádiích používajících kadmiované ladicí kondenzátory. To přitáhlo pozornost k whiskerům kadmia.
V 50. letech 20. století bylo do slitiny přidáno malé množství olova pro zpomalení růstu whiskerů a toto opatření se pak používalo velmi široce. Od roku 2000 se spolu s postupným zakazováním používání olova ve výrobcích začalo využívat cínování. Cínování však vedlo ke vzniku whiskerů, které způsobovaly poruchy řady výrobků, od náramkových hodinek přes jaderné reaktory až po výrobky v oboru letectví, dokonce včetně umělých družic a raketoplánů NASA, takže se whiskery znovu dostaly do středu pozornosti jako vážný problém.

Příčiny whiskerů

Předpokládá se, že whiskery vznikají hlavně vlivem následujících faktorů:

• Difuze v intermetalických sloučeninách
• Galvanická koroze*
• Vnější namáhání
• Namáhání způsobené rozdílem koeficientů tepelné roztažnosti

U řady dalších potenciálních faktorů jsou mechanismy tvorby whiskerů nejasné.

Galvanická koroze, známá též jako bimetalická koroze, nastává tehdy, když dojde k elektrickému kontaktu dvou nebo více různých kovů a vznikne mezi nimi rozdíl potenciálů.

Prostředí, kde dochází k vzniku whiskerů

Whiskery cínu a whiskery zinku vznikají a rostou snadno, protože jejich atomy aktivně difundují při pokojové teplotě. Difuze je obvykle podporována následujícími vlivy prostředí. Zde jsou uvedeny typické faktory prostředí, kde mohou vznikat whiskery.

• Pokojová teplota
• Cyklování teplot
• Oxidace a koroze
• Vnější tlak
• Elektromigrace*

Whiskery vznikají v důsledku elektromigrace v polovodičích s vysokou proudovou hustotou nebo speciálním pouzdrem, např. obrácenými čipy (flip chip packaging).

Elektromigrace je transport atomů kovu způsobený elektrickým proudem, který prochází integrovaným obvodem. U hliníkového drátu mohou například whiskery a hrbolky vzniknout a růst na anodě v důsledku pohybu atomů hliníku ve směru toku elektronů.

Příklady testů pro hodnocení whiskerů cínu

Níže jsou uvedeny příklady typů a podmínek testů aktuálně používaných k hodnocení whiskerů cínu.

Test skladování při pokojové teplotě

Pozorování růstu whiskerů cínu, které vznikají v důsledku difuze v intermetalických sloučeninách
Prostředí: 30 ± 2 °C / relativní vlhkost 60 ± 3 %, čas: 4000 h

Test při konstantní teplotě a vlhkosti

Pozorování růstu whiskerů cínu, které vznikají v důsledku galvanické koroze
Prostředí: 55 ± 3 °C / relativní vlhkost 85 ± 3 %, čas: 2000 h

Test cyklování teplot

Pozorování růstu whiskerů cínu, které vznikají v důsledku rozdílu koeficientů tepelné roztažnosti
Prostředí: nízká teplota −55 ± 5 °C nebo −40 ± 5 °C / vysoká teplota 85 ± 2 °C nebo 125 ± 2 °C, počet cyklů: 2000

Test vnějšího namáhání

Pozorování růstu whiskerů cínu, které vznikají v důsledku vnějšího namáhání
Typ: test zapojení konektoru (se skutečnými výrobky), zátěžový test (pomocí kuličky oxidu zirkoničitého o průměru 0,1 mm a zatížení 300 gf po dobu 500 hodin)

Pozorování při zvětšení a vyhodnocování jako hlavní opatření proti vzniku whiskerů cínu

Pokud dokážeme u jednotlivých testů pomocí pozorování při zvětšení analyzovat a vyhodnotit podmínky vzniku a růstu whiskerů cínu, můžeme rizika poruch výrobků pochopit předem a přijmout proti nim vhodná proaktivní protiopatření. Pochopit tato rizika a přijmout protiopatření je možné díky tomu, že důležité informace pro výzkum a vývoj, návrh obvodů, výběr materiálů a výrobu elektrických produktů a elektronických zařízení můžeme získat před uvedením těchto výrobků na trh.
Pro pozorování whiskerů cínu při zvětšení bývaly používány standardní optické mikroskopy nebo skenovací elektronové mikroskopy (SEM). Skenovací elektronové mikroskopy používají místo světla paprsek elektronů, které mají krátkou vlnovou délku, takže je možné provádět pozorování v řádu nanometrů. Průlomy v optických systémech a technologiích zpracování obrazu však v posledních letech vedly k rozvoji digitálních mikroskopů, které umožňují pozorování na zřetelných snímcích s jednoduchým ovládáním. Tyto digitální mikroskopy lze použít k efektivnímu pozorování a vyhodnocování whiskerů cínu na zřetelných snímcích.

Řešení problémů při pozorování whiskerů cínu pomocí SEM

S využitím digitálního 4K mikroskopu řady VHX

Nově vyvinutý optický systém a 4K obrazový senzor CMOS eliminují potřebu vakuových komor a umožňují pozorovat objekty v prostředí bez vakua při současném sledování zorného pole při až 6000násobném zvětšení. Pozorovat je možné na zřetelných snímcích s vysokým rozlišením 4K a bez časově náročné přípravy.

Pozorovací stojan pro práci pod jakýmkoliv úhlem a velmi přesný tříosý (XYZ) motorizovaný stolek optimalizují provádění zarovnání zorného pole, rotace a pohybu po šikmé ose pro pozorování s náklonem, což uživateli umožňuje pozorovat snadno a bez omezení z libovolného úhlu.

Funkce kompozice bez ostření navíc umožňuje pozorování na snímcích, které jsou i při velkém zvětšení a vysokém rozlišení plně zaostřeny na celý vzorek. Po kliknutí na pozorované místo v rámci celkového pohledu funkce kompozice bez ostření automaticky posune stolek, zaostří na vzorek a provede hloubkovou kompozici, což nejen ušetří řadu kroků při polohování vzorku, ale také zefektivňuje pozorování.

• Stáhnout
• Kontakt a dotazy

Řešení problémů při pozorování whiskerů cínu pomocí mikroskopů

S využitím digitálního 4K mikroskopu řady VHX

Objektivy s vysokým rozlišením a motorizované otáčecí zařízení umožňují pozorování při zvětšení na zřetelných 4K snímcích prostřednictvím plynulé změny přiblížení od 20násobného po 6000násobné bez výměny objektivu.

Funkce kompozice bez ostření, zahrnující i hloubkovou kompozici, umožňuje plně zaostřit na celý objekt, i když objekt vykazuje nerovnosti povrchu způsobené whiskery cínu, a přitom zachovat velké zvětšení a vysoké rozlišení. Po kliknutí na pozorované místo na plně zaostřeném snímku funkce kompozice bez ostření automaticky posune stolek a zaostří na objekt, což výrazně zvyšuje efektivitu práce.

Použití pozorovacího stojanu pro práci pod jakýmkoliv úhlem a velmi přesného tříosého (XYZ) motorizovaného stolku umožňuje pozorování s náklonem. Narostlé whiskery cínu tvořící uzlinkovité výběžky lze efektivně pozorovat v požadovaném místě a z požadovaného úhlu.

• Stáhnout
• Kontakt a dotazy