Малоизученный убийца электротехники

В некоторых случаях виноват сам пользователь - повредил изоляцию или утопил устройство. Но иногда происходит очень интересное физическое явление. На металле начинают расти так называемые металлические усы, которые и становятся причиной короткого замыкания. Так вырастет в закрытом собранном блоке ус и замкнет ножки микросхемы. Устройство на выброс.

Что же это за усы?

Когда электроника начала активно развиваться, было обнаружено, что в какой-то момент времени с поверхности металлического припоя для пайки, содержащего олово, начинает расти тонкий металлический ус. Этот ус похож на ниточку и имеет преимущественно микроскопические размеры.

После появления зачатка усика, он укрупняется и становится всё больше и больше. Зафиксировано, что такие интересные артефакты могут достигать размеров волоса. Структура у металлического уса характерна для кристаллической структуры любого металла. Толщина может составлять всего один кристаллик и дальше будут нагромождения одного кристаллика на другой. Чуть позже оно может обрасти новым слоем.

Логика чем-то напоминает неметаллические углеродные усы, которые представляют собой высокопрочные бездефектные тела, буквально выращенные из частиц в нужном направлении. Такими усами армируют композитные материалы, например всем известный карбон или углепластик, если правильно его называть.

В случае металлических сплавов подобные усы называются вискерами. Но в случае изучения металлических усов в электротехники мы рассматриваем только один из подвидов этого образования.

Кстати говоря, науке известно, что рост "электронных" усов возможен не только с поверхности оловосодержащих припоев, но и, например, с поверхности серебра или цинка.

Не стоит думать, что такие "подарки судьбы" не несут никакой серьезной угрозы для современной техники. Даже в 2000-х годах зафиксирован ряд случаев, когда усы подпортили работу некоторых весьма серьезных устройств и привели к ситуации, которая вполне могла стать причиной аварии. Например, 17 апреля 2005 года на одной из атомных станций прозвучал сигнал тревоги. После обследования выяснилось, что все системы работают нормально, а аварийные контакты закоротил такой металлический ус.

Почему металлические усы растут?

Удивительно, но механизм роста и появления металлических усов не объяснен в полном объеме до сих пор.

Есть ряд факторов, которые приводят к ускорению и большей вероятности появления таких артефактов.

В первую очередь, физики обратили внимание, что усы начинают расти не на абы-каком металле, а преимущественно на металлическом припое. Скажем, если в электронном устройстве будут микросхемы с ножками, которые были подвергнуты обработке давлением, то от таких ножек вне зависимости от их состава, усы расти не будут. Точка их роста - именно припой.

Следующий важный момент - преимущественно усы растут от чистых металлов. Если в металле есть легирующие добавки, то рост таких штук сокращается до минимума или вообще не происходит. Поэтому, припои в своё время начали легировать свинцом. Хотя, в настоящее время свинец считается вредной добавкой и его использование сведено к минимуму, всё равно припои продолжают легировать некоторыми элементами, роль которых именно защита от усов.

Важным условием формирования усов является наличие механического напряжения в той области, откуда ус растёт. Это напряжение может быть вызвано как диффузионными факторами, так и температурными. Причем, однозначную корреляцию между свойствами точки роста и формированием самого объекта установить не удалось. В итоге, каждый ученый, который исследовал это странное явление, указывал свои механизмы, которые он считал наиболее соответствующими действительности.

Взгляд специалиста

Поскольку материаловедение - это всё-таки моя основная специализация, я позволю себе предложить вам своё предположение о росте усов в электротехнике. Ведь с учетом того, что полноценного объяснения пока нет, моё может оказаться вполне допустимым.

Итак, нам известно, что всегда, когда мы говорим о росте таких артефактов, наблюдается повышенное механическое напряжение в точке, мы имеем дело с металлами без примеси, дело происходит в присутствии электрического поля, а температуры, как правило, повышенные.

Из курса общей физики мы помним, что граничные объекты всегда обладают интересными свойствами. Одно только поверхностное натяжение в жидкостях чего стоит. Вот и на поверхности припоя формируется некоторый слой со специфическими свойствами.

Я считаю, что этот слой обладает некоторой несплошностью и пористостью. Когда металл у нас чистый, его частицы не связаны с другими частицами легирующих добавок. Подвижность их более высокая. При условии повышения температуры появляется повышенная текучесть.

Поверхность припоя пористая, а механическое напряжение приводит к тому, что внутренняя часть припоя очень медленно выдавливается через них. Появляется зона, пригодная для роста уса. Сами усы вытягиваются под действием электрического поля и естественных диффузионных сил. Каждому новому кристаллику энергетически выгодно расти на своём предшественнике.

Участие в процессе электрического поля также может являться движущей силой. Оно может помогать частицам ускорять диффузионные процессы и выстраивать их в нужной последовательности.

Вот только усы могут расти и в отсутствии электрического тока и, соответственно, электрического поля. Вероятно, внутренние реакции с изменением потенциалов могут иметь место. Но как тогда быть с температурой.

Главная проблема изучения таких усов - невозможность в лаборатории повторить все факторы, которые присутствовали внутри закрытого устройства или в момент роста усов. И хотя металлические усы и выращивали в лабораторных условиях, но далеко не все факторы могли учитывать.

Ну а если статья вам понравилась и было интересно, то жду на своём авторском проекте, где вы сможете найти ещё больше интересных научно-популярных материалов.