Vikojen syntymisen ehkäisy elektroniikassa Seuraavat kohdat on vapaasti lainattu tutkimuksesta: Korroosio ja ilmastolliset vaikutukset elektroniikassa Risto Hienonen & Reima Lahtinen (VTT Publications 626, http://virtual.vtt.fi/inf/pdf/publications/2007/p626.pdf). Projektin tavoitteena oli kuvata ilmastollisen korroosion, laitteiden rakenteen ja käyttötavan vaikutusta tuotteiden korroosio-alttiuteen sekä kehittää korroosio-ongelmien ratkaisemiseen menettely, jonka avulla sekä kokenut että aloitteleva suunnittelija voivat tarkistaa käyttämänsä korroosiontorjuntatekniikan oikeellisuuden ja löytää myös uusia lähestymistapoja ratkaista kulloinenkin käytännön ongelma. 3. Korroosio ja kosteus elektroniikassa Kotitaloudessa käytettävät puhdistusaineet, saippuat ja kemikaalit voivat sisältää yllättävänkin tuhoisia aineita elektroniikan kannalta. Normaalissa nestemäisessä astianpesuaineessa on mukana alkoholia, joka voi imeytyä mm. käsipuhelimen kuoren muoviin. Monet muutkin puhdistusaineet sisältävät alkoholia esim. Sinol. Sama pätee moniin kosmetiikkatuotteisiinkin, kuten partavesiin. Rasvamaiset aineet ja pintajännitystä alentavat aineet (saippuat) aiheuttavat vaurioita polymeerisissä rakenteissa, kuten muoveissa. Rasvamaisten aineiden ikävin ominaisuus on se, että ne vaeltavat imeytymispaikastaan pitkiäkin matkoja lämpötilavaihteluiden ajamana ja vauriot saattavat syntyä aivan yllättäviin paikkoihin. Niiden tuhoisa vaikutus perustuu kykyyn toimia pehmitteiden kaltaisesti. Muovi turpoaa ja muuttuu pahimmassa tapauksessa juoksevaksi ja menettää kokonaan mekaanisen lujuutensa. Pehmennyt muovi kykenee myös imemään itseensä mm. vettä, jolloin korroosiovaara kasvaa oleellisesti. Joissakin saippuoissa on mukana ihonhoitoon tarkoitettuja rasvoja, jotka on valittu siten, että niillä on kyky imeytyä polymeereihin, jollainen ihokin on! Tämänkaltaisten aineiden vaikutus ilmenee siten, että muoviosat turpoavat tai pehmenevät pinnaltaan eli muuttuvat 1
tahmaisiksi ja likaa kerääviksi. Ihmisen omat päästöt hengityksestä, käsien hiki ja rasva, hiukset, hilse ja ihonhoitoaineet sisältävät kemikaaleja, joilla voi olla korrodoivia tai esim. muoveja pehmentäviä ominaisuuksia. Tällaisia kemikaaleja ovat esim. hiilidioksidi, aldehydit, metaani, ihovoiteet, puuterit, parfyymien liuotteet. Lisäksi tupakasta vapautuu mm. tervaa, ammoniakkia, asetonia, formaldehydiä ja typen oksideja. Ihmisen hiessä ja hengityksessä olevat aldehydit läpäisevät silikonikumin, josta tehdään esim. kalvonäppäimistöjä. Silikonikumi myös reagoi aldehydien kanssa ja voi erittää itsestään liimamaisia yhdisteitä, jotka haittaavat koskettimien toimintaa. On hyvä muistaa vanha ohje likaantuneiden pintojen puhdistusta ajateltaessa. Pyyhitään puhtaaksi puhtaalla vedellä kostutetulla rätillä ja jos pesuainetta käytetään, tulee sen olla neutraalia ehkä hieman emäksistä saippuaa! Vahvistinta rakennettaessa pitää huomioida mm. seuraavat: Nämä perussuureet ovat virrankulkuteillä (signaalit, tehonsyöttö) näkyvät impedanssit ja eristysvälien ominaisuudet, jotka lopulta vaikuttavat kaikkiin laitteen toiminnallisiin ominaisuuksiin. sarjaresistanssi virrankulkutiellä vuotovirta johdinten välillä eristeiden dielektrisyysvakio (εr) kapasitanssi johdinten induktanssi. Sähkösuunnittelussa olisi ideaalista, jos kaikille näille häiritseville parametreille voitaisiin sallia hyvin väljät toleranssit, jolloin kohtuulliset; kosteudesta, lämpötilan vaihtelusta, mekaanisesta rasituksesta ja korrodoitumisesta aiheutuvat muutokset eivät vaikuttaisi näkyvästi laitteen toimintaan. 2.16 Välimetallit Kahden metallin liitokseen syntyy diffuusion johdosta välimetallikerros, joka yhdistää erilaiset metallit toisiinsa. Elektroniikassa välimetallien muodostumisella on suurin merkitys liitoksissa esim. juotosliitoksissa, joissa johdinkuvion kupari diffundoituu juotostinaan ja juotostina diffundoituu kupariin muodostaen kaksi välimetallikerrosta. Kuparin puolelle muodostuu juotosvaiheessa ohut Cu3Sn-kerros ja tinan puolelle paksumpi Cu6Sn5 kerros [Vuorinen 2006]. Jälkimmäinen kerros on karkeampaa ja rakenteeltaan epäsäännöllistä. Välikerrosten kokonaispaksuus on tyypillisesti 0,5...0,7 µm (...3 µm). Kuparin ja tinan välimetallit ovat kiteisiä rakeita, joiden määrä ja rakenne riippuu juotosajasta ja lämpötilasta. Lyhyellä juotosajalla saadaan hienorakenteinen välimetallikerros, mikä parantaa liitoksen lujuutta. Pitkä altistus korkealle lämpötilalle kasvattaa raekokoa ja välikerroksen paksuutta. Paksun välimetallikerroksen lujuus on huonompi kuin ohuen kerroksen. Tämän vuoksi juottaminen mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa tuottaa lujempia liitoksia. Välimetallikerroksen paksuuskasvu jatkuu myös elektroniikan käyttölämpötiloissa, koska tinan sulamispiste on niin alhainen. Tästä johtuu osa juotosliitosten 2
rappeutumisesta käytössä esim. lämpötiloissa 80...120 C. Tällä välimetallin kasvamisella (kuparin diffundoituminen tinaan) on merkittävä vaikutus myös tinapinnoitettujen liitäntäjohdinten juotettavuuden heikkenemiseen pitkässä varastoinnissa huoneen lämpötilassakin, koska kupari diffundoituu tinakerroksen pinnalle ja korrodoituu siinä heikentäen juottuvuutta [SMT Terms and Definitions http://www.smtnet.com/library]. 2.17 Mikrobiologinen korroosio Termiä mikrobiologinen korroosio käytetään ilmaisemaan korroosiota, johon vaikuttaa mikrobien läsnäolo ja aktiivisuus materiaalien pinnoilla olevissa biokalvoissa. Mikrobiologinen korroosio (MIC microbiologically influenced corrosion) vaikuttaa kaikilla veden kanssa kosketuksissa olevilla pinnoilla, niin metallien kuin muidenkin materiaalien. Ennen kaikkea se vaikuttaa ei-metallisiin aineisiin, kuten puu, teipit, tiivisteet, maalit, pinnoitteet, kumi, muovi, jne. Vaikuttavina biologisina eliöinä toimivat bakteerit, levät, homeet, sienet, jäkälät ja sammaleet sekä erilaiset eläimet ja niiden päästöt. Näistä peräisin olevat kemikaalit yhdessä veden ja ilman aiheuttaman kontaminaation kanssa korrodoivat niiden alla olevia pintoja. [http://www.meic.com/newsletters/1999/summer99.htm]. L1/ 41 Mikrobiologinen korroosio on paikallista ja näkyy monina korroosiotyyppeinä kuten: pistekorroosio (pitting), selektiivinen liukeneminen (selective leaching), rakokorroosio (crevice corrosion), pinnoitteen alle syöpyminen (underdeposit corrosion) ja eroosiokorroosio (erosion corrosion). 2.19 Kosteuden ja geometrian vaikutus piirilevyn eristysresistanssiin Piirilevyjen johdinkuviossa yksi tärkeimpiä vikamekanismeja on johdinten välisen eristysresistanssin pieneneminen ts. vuotovirtojen kasvaminen kosteuden ja epäpuhtauksien vaikutuksesta. Eristysresistanssin muutoksiin piirilevyn pintarakenteessa vaikuttavat periaatteessa kuvaan 2.5 merkityt neljä osa-aluetta, joissa kulkevien vuotovirtojen arvot ovat riippuvaisia myös ympäristön ja itse piirilevyn kosteudesta [Hvims & Jørgensen 1998]. Luonnollisesti pinnassa kulkevat virrat muuttuvat myös pintaan kertyvien sähköä johtavien epäpuhtauksien (kuten suolat) ja erilaisten korroosiomekanismien vaikutuksesta. 4.1 Dendriitti Elektroniikan johtimina käytetään paljon kuparia lähes puhtaana taikka seosmetallina. Kupari saattaa otollisissa olosuhteissa, joissa on kohtuullisesti kosteutta ja jännite eri osien välillä, kasvattaa havumaisia dendriittejä eri osien välille. Dendriitti on puumaisesti (kuviona havun näköinen) kasvanut metallikide, joka etenee esim. piirilevyllä jännitteellisten kuparijohdinten välissä ja huonontaa johdinten välistä eristystä, jopa oikosulkuun asti. Dendriittejä voi syntyä puhtailla kuparipinnoilla taikka jonkin pinnoitteen virheistä (esim. kultapinnoitteen aukoista) esiin tunkeutuvina säikeinä, jotka haarautuvat puumaisesti. Suuri jännite kiihdyttää dendriittien kasvua. Dendriitit syntyvät elektrolyyttisesti jonkin ionisen kontaminaation ja kosteuden läsnä ollessa esim. piirilevyn pinnalla. Sen syynä voi olla pinnoiteprosessin liuoksen koostumus, reflow -juottaminen tai juoksutejäämä, jota on jäänyt liikaa piirilevylle. Tämä dendriittien muodostumistapa korostaa puhtauden merkitystä piirilevyjen valmistuksessa ja käsittelyssä, ja myös tukee tarvetta suojata piirilevyjen johdinkuviota kosteuden välittömältä vaikutukselta. Ilmasta peräisin olevaa 3
kontaminaatiota on vaikea välttää, jonka vuoksi levyjen pinnoille kertyy aikaa myöten aina epäpuhtauksia ja niiden mukana elektrolyyttejä (katso elektrolyytit liite 1, kohta 3.6 Vesiliuokset ja elektrolyytit), jotka yhdessä kosteuden kanssa synnyttävät erilaisia korrodoivia ilmiöitä. Dendriittikasvua esiintyy myös mikropiirien sisällä, joissa johdinliitosten välillä on todettu tämä sama vikamekanismi, jos kotelon sisään pääsee kosteutta. Myös hermeettisten komponenttien johdinten lasitiivisteissä, jotka ovat lyijypitoisia, on todettu lyijydendriittien kasvua joitain juoksutteita käytettäessä. Dendriittimuotoista kiteytymistä tapahtuu metallien sisällä sulan metallin jäähtyessä samoin kuin veden kiteytyessä lumihiutaleiksi. Näitä ilmiöitä ei pidä sotkea komponenttien, piirilevyjen, johdinten ja liittimien johdinten välissä esiintyviin dendriitteihin Korroosiosanasto Ammoniakki Ammonia NH3; syövyttää kaikkia kupariseosmetalleja. Elektrolyytti Electrolyte Todelliseksi elektrolyytiksi sanotaan ainetta, jossa on ioneja sen puhtaassa olomuodossa ilman liuotinta. Näin ollen elektrolyytiksi sanotaan ainetta, joka tuottaa ioneja liuokseen, mikä näkyy liuoksen sähkönjohtavuuden muutoksina. Yleensä elektrolyytillä tarkoitetaan liuosta, jonka muodostaa tietty liuotin (esim. vesi) ja siihen liuennut elektrolyytti (esim. suola). Elektrolyyttiä sanotaan vahvaksi tai heikoksi elektrolyytiksi sen mukaan onko syntynyt liuos hyvin vai huonosti sähköä johtava kohtuullisilla elektrolyyttipitoisuuksilla. Elektrolyyttinen korroosio Electrolytic corrosion Elektrolyyttinen korroosio syntyy sähköjohteisiin, kun johteita yhdistää elektrolyyttiä (esim. suolaa) sisältävä materiaali ja johdinten välillä on jännite. Korkeammassa potentiaalissa oleva johdin liukenee (korrodoituu) asteittain ja voi lopulta katketa. Katso ionien vaeltaminen. Elektromigraatio Electromigration Metalliatomien vaeltaminen sähköjohtimessa johtimessa kulkevan sähkövirran vaikutuksesta. Johtimessa kulkevat elektronit pommittavat atomeja, jotka siirtyvät paikasta toiseen, jolloin seurauksena on johtimen paikallinen ohentuminen ja metallin kasaantuminen toiseen paikkaan. 4
Elektromigraatio on erityisesti suuritiheyksisten alumiinijohtimin varustettujen mikropiirien tyypillinen vikamekanismi. Hapettuminen Oxidation Reaktio, jossa aineen positiivisten varausten määrä kasvaa tai negatiivisten vähenee (aine luovuttaa elektroneja). Hapettuminen tapahtuu esim. anodisella alueella, jossa metalli ionisoituu luovuttaessaan elektroneja (hapettuu ioneiksi, vrt. korroosio). Hiertymiskorroosio Fretting corrosion Hiertymisen (fretting) aiheuttama vastakkaisten pintojen kosketuskohdan korrodoituminen (fretting corrosion, hiertymiskorroosio, hankauskorroosio, kitkakorroosio). Mekaaninen hierova liike irrottaa metallipartikkeleita, jotka korrodoituvat helposti. Kosketuskohtaan muodostuvat oksidit ja muut yhdisteet ovat usein huonosti sähköä johtavia. Lisäksi hiertyminen voi synnyttää esim. palladiumpinnoilla katalyyttisesti ilmassa olevista kaasuista polymeerejä. Hiukkasjakoiset ainekset Particulates Nestepisaroista ja kiinteistä hiukkasista koostuva ilman epäpuhtaus. Huokoskorroosio Pore corrosion Huokoskorroosioksi sanotaan tyypillisesti jalometallipinnoitteessa olevien mikroskooppisten reikien, huokoisten ja virheiden, kohdalla syntyvää korroosiota. Korroosio on periaatteessa metalliparikorroosiota, jossa epäjalompi alusmetalli korrodoituu ja työntää korroosiotuotteet kohden jalompaa pintakerrosta ja levittää tuotteet sitten pitkin pintaa. Hygroskooppinen Hygroscopic Vettä sitova ja absorboiva materiaali. Hygroskooppisia ovat mm. ruokasuola, kalsiumkloridi, alkoholit kuten glyseroli, propyleeniglykoli ja sorbitoli sekä rikkihappo, jotka absorboivat vettä ilmasta ja sitovat sen kemiallisesti. Ilmastollinen korroosio Atmospheric corrosion 5
Materiaalien korroosio ilmassa olevien ainesten, kuten hapen, veden, suolan ja rikkiyhdisteiden sekä lämpötilan ja auringon säteilyn vaikutuksesta. Laajemmin ymmärrettynä siihen voidaan lukea myös osa mikrobiologisesta korroosiosta, mikä tapahtuu ilman kautta leviävien ainesten ja mikrobien myötävaikutuksella. Ionien vaeltaminen Ionic migration, electrochemical migration Ionien vaeltamisella tarkoitetaan ionien kulkeutumista sähköjohteesta toiseen, kun johdinten välillä on jännite. Vaeltamisen edellytyksenä on kosteuden läsnäolo ionien syntymistä ja kulkutien olemassaoloa varten. Vaeltavat ionit alentavat eristysresistanssia ja voivat lopulta oikosulkea johtimet. Katso elektrolyyttinen korroosio. Kapillaarinen nesteen imeytyminen pitkin pohjamateriaalin kuituja (esim. piirilevyllä). (piirilevyn komponenttipuolella) Kloridi Chloride (esim. natriumkloridi eli ruokasuola tai kaliumkloridi, jota myös esiintyy ihmisen elimistössä) Kloridi Cl ; kloridi-ioni syövyttää useimpia metalleja. Klorideille esitetään yleensä vain laskeumaarvo, koska suola esiintyy ilmassa lähinnä NaCl-partikkeleina eikä kaasumaisena kloridina Cl Korroosio Corrosion Aineen tuhoutuminen erilaisten kemiallisten reaktioiden kautta. Metallien korroosio on metalliatomien hapettumista ioneiksi (vrt. hapettuminen). Tunnetuin korroosioilmiö on raudan ja teräksen ruostuminen. Samanlaisia prosesseja tapahtuu muissakin metalleissa ja myös eimetallisissa materiaaleissa, kuten muovi, betoni ja keramiikka. Korroosiotuotteiden ryömiminen Creep of corrosion products Kultapinnoitteille tyypillinen vikailmiö on korroosiotuotteiden ryömiminen pitkin pintaa olosuhteissa joissa ilmassa on kosteutta ja H2S-, NO2- tai Cl2-kaasuja. Tyypillisiä ryömiviä korroosiotuotteita ovat eri metallien suolat, jotka ovat myös hygroskooppisia edistäen veden kertymistä korroosioalueille. 6
Lämpöpaukahtelu Popcorning Lämpöpaukahtelua, poksahtelua, tapahtuu kostuneita komponentteja juotettaessa, kun komponentin sisälle päässyt vesi höyrystyy juotoslämpötilassa (noin 230 C) noin 1 200-kertaiseksi ja repii komponentin sisärakenteita räjähdysmäisesti. Mikrobiologinen korroosio Microbiologically influenced corrosion, MIC Korroosio, johon vaikuttaa mikrobien läsnäolo ja aktiivisuus materiaalien pinnoilla olevissa biokalvoissa. Mikrobiologinen korroosio vaikuttaa kaikilla veden kanssa kosketuksissa olevilla pinnoilla, niin metallien kuin muidenkin materiaalien. Biologisina vaikuttajina toimivat bakteerit, levät, homeet, sienet, jäkälät ja sammaleet sekä erilaiset eläimet ja niiden päästöt. Piilokorroosiolla tarkoitetaan korroosiota, joka kehittyy jollekin pinnalle tulleen epäpuhtauden alla tai välittömässä läheisyydessä happivajeen johdosta. Esim. kostean saven, maantieltä irtoavan lian ja laivoissa fouling-kasvuston alle kehittyy helposti piilokorroosiota. Pinnoitteen alle syöpyminen Underdeposit corrosion Useimpien pinnoitteiden alla vallitsevat korroosiota kiihdyttävät olosuhteet, jolloin perusaine syöpyy pinnoitteen alla (vrt. passiivikerros). Välimetalli Intermetal Välimetalli on metallien rajapintaan syntyvä metalliseos, joka syntyy metallien diffundoituessa toistensa sisälle. Välimetalleja syntyy esim. juotoksessa kullan ja kuparin diffundoituessa juotostinaan ja toisaalta juotostinan diffundoituessa kupariin ja sen pinnalla mahdollisesti olevaan kultaukseen. Välimetalli on yleensä haurasta ja murtuu helposti. Juotoksessa sen määrä kasvaa logaritmisesti juotosajan ja lämpötilan ja juotettavien johdinten pinnoitteiden paksuuden kasvaessa. Yleinen korroosio Uniform corrosion 7
Korroosiomuoto, joka ilmenee pinnan paikallisesti ja ajallisesti tasaisena syöpymisenä aineen kaikilla pinnoilla (vrt. pistekorroosio). Lähde: ISBN 978-951-38-6882-6 (nid.) ISSN 1235-0621 (nid.) ISBN 978-951-38-6990-8 (URL: http://www.vtt.fi/publications/index.jsp) ISSN 1455-0849 (URL: http://www.vtt.fi/publications/index.jsp) Copyright VTT 2007 JULKAISIJA. UTGIVARE. PUBLISHER VTT, Vuorimiehentie 3, PL 1000, 02044 VTT puh. vaihde 020 722 111, faksi 020 722 4374 VTT, Bergsmansvägen 3, PB 1000, 02044 VTT tel. växel 020 722 111, fax 020 722 4374 VTT Technical Research Centre of Finland, Vuorimiehentie 3, P.O. Box 1000, FI-02044 VTT, Finland phone internat. +358 20 722 111, fax + 358 20 722 4374 VTT, Otakaari 7 B, PL 1000, 02044 VTT puh. vaihde 020 722 111, faksi 020 722 7042 VTT, Otsvängen 7 B, PB 1000, 02044 VTT tel. växel 020 722 111, fax 020 722 7042 VTT Technical Research Centre of Finland, Otakaari 7 B, P.O. Box 1000, FI-02044 VTT, Finland phone internat. +358 20 722 111, fax +358 20 722 7042 8