Головной офис продаж+7 (495) 97-000-99
info@platan.ru
info@platan.ru
Механизм образования ползучей коррозии
Если раньше электроника традиционно использовалась в чистых помещениях с контролируемыми параметрами окружающей среды, то сегодня ее перемещение в сферу облачного и мобильного хранения всё чаще связано с динамическими изменениями условий эксплуатации. Также свой весомый вклад в коррозионные процессы внесла бессвинцовая технология пайки. Такой сдвиг в применении электроники требует более четкого понимания коррозионных процессов, происходящих на поверхности печатной платы в условиях достаточно резких и нестабильных изменений параметров температуры, влажности, загазованности и запыленности.
Электронная промышленность более 50 лет работала со свинцовыми припоями. Опыт же применения бессвинцовых технологий составляет только десятилетие. При этом изменения произошли во всех материалах, используемых при производстве печатных плат: припои, флюсы, покрытия контактов, финишные покрытия плат, температурный профиль пайки и т.д. Несмотря на то, что многие проблемы уже решены, одна проблема оказалась непредвиденной. Финишное покрытие иммерсионным серебром (ImAg) сегодня широко заменяет традиционное горячее лужение HASL. Общеизвестно, что серебро темнеет при загрязнении воздушной среды сульфитами и хлоридами. Однако для многих будет сюрпризом тот факт, что это покрытие является причиной ползучей коррозии при высоком уровне сульфатов и влажности. Неполадки в работе платы могут начаться уже через несколько недель.
Ползучая коррозия – это коррозия металлов (особенно сульфиды меди и серебра), проникающая не территорию некорродирующих металлов (например, благородных металлов) или диэлектриков.
Первичная причина выхода из строя в результате коррозии связана со слоистым ростом пленки сульфида меди на открытых медных контактах поперек изоляционных поверхностей, что приводит к короткому замыканию и/или периодическим отклонениям в цепи. Это является результатом проводящих свойств сульфида меди, которые усиливаются при повышенном уровне влажности. Чтобы предотвратить возможные негативные последствия многие компании используют специальные финишные покрытия, наносимые очень тонким слоем поверх металлов. Это HASL, ENIG, ImAg, OSP и др. Но даже самое дорогостоящее покрытие иммерсионным золочением (ENIG) не дает, к сожалению, полной защиты от образования ползучей коррозии.
Покрытие платы SnPb горячим лужением до вступления в силу RoHS ограничений не приводило к ползучей коррозии при тех же тяжелых условиях эксплуатации платы. Предполагалось, что ImAg покрытие с легкостью заменит HASL, а потемнение серебра является только косметическим дефектом. Тесты с MFG газами не выявили ползучей коррозии, поэтому выход из строя электроники через 4 недели эксплуатации в сероводородных средах стало неожиданным сюрпризом. Остальные платы выходили из строя через 2-4 месяца. Дальнейший опыт показал, что если плата не вышла из строя через 6 месяцев эксплуатации, то последующих неприятностей от нее уже можно не ждать. Поэтому было сделано предположение о существовании порога уровня влажности и сернистых загрязнений, ниже которого проблем с коррозией не возникает. Повышение скорости воздушного потока приводило к увеличению скорости коррозирования.
Анализ показал, что продукт коррозии является достаточно резистивным, поэтому замыкание двух проводников не приводит к мгновенному пробою. Но при увеличении толщины слоя коррозии резистивность снижается и возникает короткое замыкание. Поэтому ползучая коррозия может быть вызвана сочетанием множества факторов (даже тем, какие первые два проводника образовали перемычку). Эксперименты также показали, что резистивность сильно зависит от уровня влажности, она падает с 10 МОм до 1 МОм.
Помимо финишного покрытия платы большинство печатных плат покрывается конформным покрытием после пайки. Технологи ожидают, что применение таких покрытий усилит защиту от коррозионных процессов. Однако конформные покрытия бессильны против сернистых газов, которые легко проходят через покрытие и вступают в контакт с серебром и медью.
Сернистая загрязненность среды
Итак, анализы образования ползучей коррозии в бессвинцовом производстве печатных плат, показывают, что, в первую очередь, она вызвана влиянием серосодержащих материалов и газов.
Только в США ежегодно производится 8.8 млн.тонн серы. Повышенный уровень загрязнения сернистыми соединениями характерен для регионов с вулканической активностью, в газодобывающих регионах, угольных бассейнах. Многие производства напрямую связаны с выбросами сероводорода. Это нефтехимическая промышленность, водоочистные сооружения (очистка от сероводорода), целлюлозно-бумажная промышленность (сульфат-целлюлозное производство), производство удобрений, производство формовочной глины, производство резиновых изделий (где происходит нагрев с серой), серной кислоты.
Острая проблема использования электроники стоит в газодобывающих компаниях. Такие объекты характеризуются высоким содержанием сероводорода в воздухе, под его воздействием электроника в операторной или в помещении КИП выходит из строя в течение нескольких месяцев. Безусловно, печатные платы и компоненты имеют защитные лаковые покрытия, но эта защита действует только для условий загрязненности атмосферы до уровня G3 по ISA (по содержанию сероводорода это соответствует 50 ppb). Некоторые технологи приходят к умозаключению, что можно обеспечить защиту платы, если увеличить число слоев защитного лака. Однако такое предположение является в корне ошибочным, улучшая один параметр (защиту от коррозии), ухудшается другой – теплоотвод. В результате ухудшается отвод тепла с платы, и перегрев компонентов приводит к повышению частоты отказов от повышенного температурного режима. Также не следует забывать, что не все компоненты можно покрыть лаком, без защиты остаются позолоченные ламели, тумблеры, разъемы и др.
Поэтому многие предприятия приходят к такому банальному решению, как принудительная вентиляция с воздухозабором на высоте 10 или 20 метров. Приточно-вытяжная вентиляция подает чистый воздух либо в помещение, либо в шкаф. Второй путь решения проблемы – использование дорогостоящих специальных фильтров от сероводородов. Но оба метода далеки от идеала. В первом случае уличный воздух несет с собой влагу и загрязнения, а второе решение является дорогостоящим и требует постоянного контроля уровня очистки.
Приведем пример из другой области. Датацентры (центры обработки данных) предпринимают радикальные шаги для уменьшения производственных затрат. В первую очередь, экономия затрагивает системы охлаждения, которые раньше использовали кондиционированный очищенный воздух, а сегодня забирают уличный воздух. Американское общество ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerting and Air-Conditioning Engineers) провело исследование, чтобы выявить возможное влияние качества воздуха на работу IT оборудования. Инженеры использовали посеребренные и медные пластины для измерения скорости коррозии, которая затем сравнивалась с частотой выхода из строя компьютеров по причине коррозионного повреждения. Данные отчеты дают четкое основание полагать, что если скорость коррозии превышает 200А в месяц, то значительно повышается риск выхода оборудования из строя.
Средства защиты от сернистых загрязнений Novec
Как уже отмечалось, традиционные финишные покрытия (акриловый, полиуретановый лак) не позволяют защитить плату от коррозии, вызванной воздействием серосодержащих веществ.
Компания 3М предлагает инновационное решение – защитные покрытия 2701, 2704 и 2708 Electronic Grade Coatings, специально разработанные для уменьшения коррозии открытого металла на печатных платах и электронных компонентах в сложных условиях окружающей среды.
Покрытия для электроники Novec 2701, 2704 и 2708 представляют собой фторполимеры, использующие сегрегированные гидрофторэфиры в качестве транспортной системы, продаваемые компанией 3M под торговой маркой Novec. Эти полимерные покрытия предназначены для защиты печатных плат, электронных компонентов и различных поверхностей от влаги и коррозии.
Покрытия Novec 2701, 2704 и 2708 после высыхания образуют очень тонкую прозрачную пленку с отличными гидрофобными и олеофобными свойствами. Они легко наносятся кистью, распылителем и окунанием в ванну, и не требуют термоотверждения. Раствор и полимер низкотоксичны, не воздействуют на озоновый слой и соответствуют требованиям RoHS. Для контроля качества нанесения, в полимерную основу добавлен желто-оранжевый краситель, который светится в ультрафиолете.
Тестовые печатные платы
В исследовании использовались стандартные испытательные печатные платы IPC-B-25A. Эти платы соответствуют рекомендациям по тестированию паяльных масок (IPC-SM-804C) и конформных покрытий (IPC-CC-830A).
Химическое лужение серебром используется в электронике как альтернатива припоям, содержащим свинец. Таким образом, испытательные платы IPC-B-25A, луженые серебром и с нелужёными медными дорожками, были обработаны покрытиями Novec и протестированы. Кроме того, были протестированы некоторые из них с свинцово-оловянным лужением, а также со сквозными отверстиями и пайкой. В качестве контрольных образцов использовались платы каждого типа, которые не обрабатывались покрытиями Novec, и они тестировались в тех же условиях, что и обработанные.
Была также получена информация, что для лабораторного моделирования дендритного нароста, связанного с ползучей коррозией, могут потребоваться остатки флюса, которые являются результатом технологического процесса создания платы1. В связи с этим в нашем исследовании некоторые платы обрабатывались флюсом, и на них заново производилось лужение, перед нанесением защитного покрытия и испытанием. Было обнаружено, что платы без остатков флюса были столь же восприимчивы к ползучей коррозии, как платы с остатками флюса. Поэтому основное внимание было уделено испытательным платам IPC-B-25A без флюса. Вид платы показан на рисунке 1 ниже.
Рис.1. Тестовая плата IPC-B-25A.
Покрытие печатных плат
Испытательные платы IPC-B-25A разрезались пополам вертикально, чтобы соответствовать условиям теста ASTM и ограниченному пространству в испытательной камере. Затем разрезанные платы были очищены в пароочистителе с использованием 3M™ Novec™ 72DA Engineered Fluid. Состав Novec 72DA эффективен для удаления с печатных плат поверхностных загрязнений и частиц, которые могут оказывать влияние на скорость образования коррозии.
Защитные покрытия на платы наносились методом погружения. Сначала платы погружались в ванну, заполненную одним из покрытий 3M™ Novec™ 2701, 2704 или 2708. Ванна стояла на столе, который двигался вверх и вниз с контролируемой скоростью. Скорость, с которой платы извлеклась, определяет толщину покрытия. В общем случае, чем быстрее плата вынимается из ванны, тем толще покрытие. Платы погружали, выдерживали в растворе в течение 30 секунд и вынимали со скоростью 12 дюймов в минуту. Платы высушивали, а затем помещали в испытательную камеру с хлопьями серы, как описано ниже.
Чтобы имитировать реальный процесс некоторые платы обрабатывались флюсом до их тестирования. Для них процесс покрытия слегка изменили. Эти испытательные платы были сначала очищены, как указано выше, наносился выбранный флюс, и затем производилось лужение. Платам давали остыть до комнатной температуры, а затем проводили химическое лужение, как описано выше.
Тест с высоким содержанием серы «Сернистый цвет»
В течение многих лет для тестирования коррозионной стойкости компонентов (резисторов, переключателей и др.) используется смешанный газ (MFG – mixed flowing gas, H2S, SO2, NO2 и Cl2). Сегодня такая же практика всё чаще используется для тестирования сборок печатных плат. Поскольку состав газа и условия тестирования могут значительно варьироваться в разных лабораториях и камерах, то многие исследователи сегодня обращаются к тесту «сернистый цвет» (ASTM B809), который был введен на заре бессвинцовой пайки и дает более последовательные результаты.
Метод «сернистый цвет» ASTM B809 обеспечивает стандартный способ, позволяющий индуцировать коррозию различных металлических покрытий4. Тест предназначен для воссоздания газовой среды с высокой влажностью и высоким содержанием сероводорода, как это бывает во многих отраслях промышленности.
Испытательная установка показана на рисунке 2. В качестве испытательной камеры использовался стеклянный эксикатор емкостью 10 л. Для герметизации крышки камеры не использовалась смазка, но была установлена пробка с выпускным клапаном для выравнивания давления в системе. Испытательный сосуд содержал раствор нитрата калия, в котором плавала чашка Петри, содержащая хлопья элементарной серы. Образцы были подвешены на высоте 75 мм от серы, и удерживались с помощью специального устройства, таким образом, что зажимы не подвергались воздействию серы.
Рис. 2. Образцы печатных плат в установке «Серный цвет», как описано в методе испытаний ASTM B809
В этом исследовании медные дорожки печатных плат, необработанные и обработанные защитными покрытиями, подвергались воздействию агрессивной среды с высоким содержанием серы. Спустя 10 дней, необработанные медные дорожки на платах, сильно потускнели и покрылись ползучей коррозией.
В то же время, платы, обработанные покрытием Novec 2708, имели минимальное потускнение и отсутствие ползучей коррозии после 10 дней воздействия. Также, через 10 дней на платах, обработанных покрытиями Novec 2704 и 2701, потускнения и коррозии было значительно меньше, чем на необработанных. Испытания показали, что характерный дендритный рост ползучей коррозии был резко снижен благодаря наличию покрытий для электроники 3M™ Novec™ 2701, 2704 и 2708.
Рис.3. На рисунках сверху и снизу показаны медные дорожки необработанных тестовых плат B-25A до и после 10-дневной экспозиции в камере «Серный цвет». На трех больших снимках справа показаны тестовые платы B-25A, которые были обработаны покрытиями марки 3M™ Novec™ 2701, 2704 и 2708 после 10-дневного воздействия в камере «Серный цвет».
Из результатов теста видно, что обработка плат покрытиями Novec уменьшала ущерб, вызванный воздействием коррозионной среды внутри камеры. Эта разница в размерах коррозии показана на рисунках 3 и 4.
Рисунок 4. На снимках сверху и снизу справа показаны тестовые платы IPC-B-25A до и после 10 дней экспозиции в камере, соответственно. На нижнем левом рисунке показан испытательный носитель IPC-B-25A, который был покрыт покрытием 3M™ Novec™ 2708 после 10-дневного воздействия в камере.
Поскольку серебряное и другие виды лужения часто используются для защиты медных дорожек на платах, в исследование также были включены такие альтернативные лужения. На рисунке 5 показаны результаты теста луженных плат с защитным покрытием и без него.
Плата IPC-B-25A использовалась для плат с серебряным химическим лужением, а плата собственного дизайна 3M использовалась для тестирования плат с оловянно-свинцовым химическим лужением. Последнее было сделано в дополнение к испытаниям на платах IPC-B-25A, чтобы определить, можно ли уменьшить ползучую коррозию при использовании типичной паяльной маски, которая в большинстве случаев применяется на печатных платах. Покрытия уменьшали коррозию на обоих тестируемых покрытиях.
Рисунок 5. На верхних левом и правом снимках показан результат 34-дневного воздействия на платы с химическим оловянно-свинцовым лужением с покрытием и без покрытия соответственно. Нижние левый и правый снимки показывают испытательные платы IPC-B-25A с химическим серебряным лужением после 10-дневного воздействия, покрытые и непокрытые соответственно.
Ползучая коррозия может быть обусловлена многими факторами и является растущей проблемой во многих отраслях промышленности, у конечных потребителей и у производителей печатных плат. Тесты были проведены, чтобы продемонстрировать, может ли защитное покрытие печатной платы помочь уменьшить прогрессирование ползучей коррозии, вызванной наличием серы в окружающей среде.
В этом исследовании покрытия 3M Novec 2701, 2704 и 2708 Electronic Grade Coatings применялись на различных металлах и поверхностях электронных плат. Образцы без покрытия использовались в качестве контрольных и сравнивались с покрытыми образцами.
В качестве метода испытаний для создания условий образования ползучей коррозии был выбран тест «Сернистый цвет». Он имитировал высокие уровни влажности и сероводорода, в которых все чаще эксплуатируются электронные устройства.
Это тестирование продемонстрировало значительно меньшую коррозию при применении защитных покрытий. Вывод состоял в том, что покрытия для электроники Novec 2701, 2704 и 2708 помогают уменьшить образование ползучей коррозии открытого металла на печатных платах, вызванное воздействием высоких уровней влажности и серы.
