Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών Θεµα: ιάβρωση στα ηλεκτρονικά Παπαγεωργίου Ιωσήφ

2 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Εισαγωγή Η διάβρωση των ηλεκτρονικών έχει αποκτήσει τεράστια σηµασία τα τελευταία χρόνια και αυτό συµβαίνει για διάφορους λόγους. Υπολογιστές, κυκλώµατα, µικροτσίπ και πολλά άλλα αποτελούν σήµερα αναπόσπαστο κοµµάτι όλων των βιοµηχανικών προϊόντων τελευταίας τεχνολογίας µε εύρος από τις διαστηµικές εφαρµογές και τη βιοµηχανία αυτοκινήτων ως τον ιατρικό εξοπλισµό και διάφορα άλλα καταναλωτικά προϊόντα µε αποτέλεσµα να είναι εκτεθειµένα σε ένα τεράστιο εύρος περιβαλλοντικών συνθηκών. Αιτίες διάβρωσης Τα πιο κοινα ηλεκτρονικά συστατικά µέρη περιλαµβάνουν ολοκληρωµένα κυκλώµατα (IC), τυπωµένα κυκλώµατα (PC), ζεύκτες και επαφές. Παραδοσιακά υλικά που χρησιµοποιούνται σε IC αγωγούς είναι κράµατα αλουµινίου κυρίως, συχνά κραµατοποιηµένα µε σιλικόνη και χαλκό. Τα κύρια στοιχεία των πλακετών PC, όπως οι αγωγοί και οι ζεύκτες, κατασκευάζονται κατά βάση από χαλκό όπου η συγκόλληση γίνεται µε κράµατα µολύβδου-κασσίτερου. Οι επαφές κατασκευάζονται συνήθως από χαλκό καλυµένο µε γαλβανισµένο νικέλιο ή χρυσό για µεγαλύτερη αντίσταση έναντι διάβρωσης. Όσο οι ηλεκτρονικές συσκευές γίνονται όλο και πιο κοινές, εκτίθενται σε ολοένα και πιο τραχείς συνθήκες από τα κλιµατιζόµενα δωµάτια των οικιακών προσωπικών υπολογιστών. Παρόλο που το µικροτσίπ σε ένα αυτοκίνητο, για παράδειγµα, δεν εκτίθεται στις ίδιες συνθήκες µε το αµάξωµα µε δεδοµένες τις διαστάσεις του (ολοκλήρωµένα στοιχεία κυκλώµατος µε βάση τη σιλικόνη έχουν απόσταση µεταξύ τους µικρότερη των 0,2 µικρών), η ανοχή για απώλεια διάβρωσης είναι πολύ µικρότερη (της τάξης των πικογραµµαρίων g). Έτσι οι διαστάσεις αύτες των ηλεκτρονικών κυκλωµάτων, οι µεγάλες τάσεις και µια εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία σε διάβρωση ή διαβρωτικά προϊόντα παρουσιάζουν ένα µοναδικό σύνολο από θέµατα που σχετίζονται µε διάβρωση. Οι τεκµηριωµένοι λόγοι αστοχίας παρουσιάζονται µε µεγαλύτερη λεπτοµέρεια παρακάτω. Ατµοσφαιρική Έκθεση Ένας από τους πιο συνήθεις λόγους για αστοχία των ηλεκτρονικών είναι οι περιβαλλοντικοί ρυπαντές και συνθήκες. Η λίστα των ρυπαντών περιλαµβάνει λεπτά και τραχειά σωµατίδια διαφόρων ειδών όπως, χλωρίδια, νάτριο, κάλιο, αµµώνιο, µαγνήσιο και ασβέστιο. Η πιο σηµαντική περιβαλλοντική συνθήκη που επηρεάζει την επίδραση των διαφόρων σωµατιδίων και αερίων (όπως το SO 2 και το NO 2 ) είναι η σχετική υγρασία. Τα τραχειά σωµατίδια (2,5 µε 15 µικρά) σχηµατίζονται τυπικά από την ανθρώπινη δραστηριότητα ή προέρχονται από το έδαφος. Τα λεπτά σωµατίδια (0,1 µε 2,5 µικρά) προέρχονται από την καύση ορυκτών καυσίµων και κάποιες φορές από ηφαιστιακή και γαιολογική δραστηριότητα. Σε ηλεκτρονικές συσκευές, τα τραχειά σωµατίδια µπορεί να προκαλέσουν δυσλειτουργία διακόπτοντας την ηλεκτρική επαφή ανάµεσα σε δύο επαφές, σε

3 ζεύξεις ή σε µεταγωγούς. Απαιτούν συνήθως µεγαλύτερες τιµές σχετικής υγρασίας απο τα λεπτά σωµατίδια. Σύµφωνα µε την ISA Instrument System and Automation Society standard, υπάρχουν τέσσερις τάξεις βιοµηχανικών περιβάλλοντων σε ό,τι αφορά την ενεργότητα του χαλκού. Η σύνοψη αυτών δλινονται στον πίνακα παρακάτω: Ταξινόµηση της διαβρωτικότητας στον χαλκό των βιοµηχανικών περιβάλλοντων Τάξη Περιγραφή Εκτιµώµενος χρόνος αστοχίας G1 (ήπια) G2 (µέτρια) G3 (τραχειά) G4 Η διάβρωση δεν αποτελεί παράγοντα της αξιοπιστίας (λιγότερα από 300 άνγκστροµ το µήνα) Η διάβρωση είναι µετρήσιµη (λιγότερα από 1000 άνγκστροµ το µήνα) Μεγάλη πιθανότητα διάβρωσης (λιγότερα από 2000 άνγκστροµ το µήνα) Αξιοσηµείωτη διάβρωση (λιγότερα από 3000 ανγκστροµ το µήνα) εν υπάρχει αστοχία συσχετισµένη µε διάβρωση Αστοχία µέσα σε 3-4 χρόνια Αστοχία µέσα σε 1-2 χρόνια Αστοχία µέσα σε 1 χρόνο Άλλη ταξινόµηση της διαβρωτικότητας του περιβάλλοντος γίνεται µε βάση τα επίπεδα σχετικής υγρασίας και των ρυπαντών. Καλώδιο χαλκού σε εργοστάσιο επεξεργασίας νερού (water treatment plant) Ανοδική διάβρωση ΜΟΡΦΕΣ ΙΑΒΡΩΣΗΣ Με δεδοµένο τα διαστήµατα µεταξύ των συστατικών µερών ενός ολοκληρωµένου κυκλώµατος, όταν εφαρµόζεται µια τάση σε µια συσκευή, µπορεί να υπάρχουν βολταϊκές βαθµίδες της τάξης των 10 5 µε 10 6 V/cm σε κάποιες επιφάνειες, επιταχύνοντας σηµαντικά ηλεκτροχηµικές αντιδράσεις διάβρωσης και µετακινήσεις

4 ιόντων. Σε ολοκληρωµένα κυκλώµατα θετικά πολωµένες επιµεταλλώσεις αλουµινίου είναι επιρρεπείς σε διάβρωση. Ο συνδυασµός των ηλεκτρικών πεδίων, της ατµοσφαιρικής ρύπανσης και των διαφόρων ρυπαντών οδηγούν σε «προσβολή από διάβρωση» στο αλουµίνιο. Οι επιµεταλλώσεις χρυσού και χαλκού υπόκεινται επίσης σε διάβρωση κάτω από αυτές τις συνθήκες. Καθοδική διάβρωση Αρνητικά πολωµένες επιµεταλλώσεις αλουµινίου, όπως και οι θετικά πολωµένες, επίσης µπορούν να διαβρωθούν µε την παρουσία υγρασίας λόγω του υψηλού (αλκαλικού) ph που παράγεται από την καθοδική αντίδραση αναγωγής του νερού. Το υψηλό ph οδηγεί σε διάλυση του παθητικού επιφανειακού στρώµατος των οξειδίων (Al 2 O 3 ) και του υπόστρωµατος του αλουµινίου και στη συνέχεια αυξάνει η αντίσταση αγωγού. Ηλεκτρολυτική µετακίνηση µετάλλων Το πρόβληµα αυτό, που ανιχνεύτηκε νωρίς στου ηλεκτροµηχανικούς διακόπτες, εµφανίζεται στις ενώσεις που περιέχουν άργυρο. Με την παρουσία υγρασίας και ηλεκρικού πεδίου τα ιόντα αργύρου µετακινούνται σε καθοδικά φορτισµένες επιφάνειες σχηµατίζοντας δενδρίτες. Οι δενδρίτες στη συνέχεια αναπτύσσονται και γεφυρώνουν το κενό ανάµεσα στις επαφές, προκαλώντας βραχυκύκλωµα. Ακόµα και µικρός όγκος διαλυµένου µετάλλου µπορεί να οδηγήσει στη δηµιουργία αρκετά µεγάλου δενδρίτη. Κάτω από ορισµένες συνθήκες υγρασίας και τάσης µια έκθεση 30 ηµερών είναι ισοδύναµη µε τέσσερα χρόνια λειτουργίας σε τυπικό περιβάλλον γραφείου. Άλλα υλικά που είναι ευαίσθητα στη µεταφορά ιόντων µετάλλου είναι ο χρυσός, ο µόλυβδος, το παλλάδιο, ο κασσίτερος και ο χαλκός. Παραδείγµατα διάβρωσης αργύρου µε σχηµατισµό δενδριτών

5 ιάβρωση πόρων σε µεταλλικές επαφές και ενώσεις Για να αποφευχθεί η διάβρωση των ζεύξεων και των επαφών, ένα ευγενές µέταλλο (π.χ. χρυσός) επενδύεται πάνω στην επιφάνεια επαφής. Καθώς η επικάλυψη δεν είναι ποτέ πλήρης, το υλικό που αποτελεί το υπόστρωµα µπορεί να διαβρωθεί στις ατέλειες. Αν το υπόστρωµα είναι χαλκός ή άργυρος και εκτεθεί σε περιβάλλον που περιέχει θειούχες ή χλωριούχες ενώσεις, τα προϊόντα της διάβρωσης µπορεί να αναρριχηθούν (creeping) έξω από τους πόρους και να καλύψουν την επένδυση του χρυσού, σχηµατίζοντας ένα στρώµα µε υψηλή αντίσταση επαφής. ιάβρωση εκτριβής χωριζοµένων συζευκτήρων µε ακροδέκτες κασσίτερου Η διάβρωση εκτριβής σε ηλεκτρονικά εξαρτήµατα γίνεται αντιληπτή ως µία συνεχής διαµόρφωση και µετατροπή σε νιφάδες του οξειδίου του κασσίτερου. Καθώς για τα εξαρτήµατα χρησιµοποιείται όλο και περισσότερο ο κασσίτερος (αντί του χρυσού, για λόγους οικονοµίας), το πρόβληµα γίνεται συχνότερο. Η µόνη λύση αυτού του δύσκολα να διαγνωστεί και συχνά περιοδικού προβλήµατος είναι η αντικατάσταση του ελαττωµατικού τµήµατος. Γαλβανική διάβρωση Συµβαίνει όταν δύο ανόµοια µέταλλα, όπως το αλουµίνιο και ο χρυσός, τοποθετούνται µαζί, όπως γίνεται συχνά στα συσκευασµένα ολοκληρωµένα κυκλώ- µατα. Τα πολυµερή που χρησιµοποιούνται στη συσκευασία είναι πορώδη και οι φλάντζες γύρω από τα ερµητικά καλύµµατα (κεραµικά ή µεταλλικά) µερικές φορές έχουν διαρροές. Για το λόγο αυτό, σε υγρά περιβάλλοντα, η υγρασία µπορεί να εµποτίσει τις ενώσεις του ολοκληρωµένου, δηµιουργώντας συνθήκες που οδηγούν σε γαλβανική διάβρωση. Οι ηλεκτρονικές συσκευές έχουν την τάση να διαχέουν υψηλά ποσοστά θερµότητας κατα τη διάρκεια της λειτουργίας τους, κάτι το οποίο µειώνει τη σχετική υγρασία. Όταν πάλι δεν βρίσκονται σε λειτουργία ή είναι αποθηκευµένες, η σχετική υγρασία αυξάνεται, πράγµα πιο επικίνδυνο.

6 ιάβρωση µαγνητικών και µαγνητο-οπτικών συσκευών Πέρα από τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα, αστοχίες σχετικές µε διάβρωση µπορεί να εµφανιστούν σε προηγµένα µαγνητικές και µαγνητο-οπτικές συσκευές αποθήκευσης, όπου οι µεταλλικοί δίσκοι λεπτού φιλµ, οι εγκατεστηµένες κεφαλές και τα µαγνητο-οπτικά στρώµατα επηρεάζονται. Η διάβρωση λαµβάνει χώρα σε µέρη όπου η εναποθηµένη επικάλυψη άνθρακα δεν είναι πλήρης λόγω της ηθεληµένης σκλήρυνσης του δίσκου και εκεί όπου το µαγνητικό στρώµα που βασίζεται στο κοβάλτιο και το υπόστρωµα νικελίου-φωσφόρου εκτίθενται. Με δεδοµένες τις διαφορές δυναµικoύ ανάµεσα στον ευγενή (θετικά) άνθρακα και το µεταλλικό υπόστρωµα, ένα γαλβανικό ζεύγος µπορεί να σχηµατιστεί µε ραγδαία (απο γαλβανική διάβρωση) διάλυση του µαγνητικού υλικού. Στις µαγνητο-οπτικές συσκευές χρησιµοποιούνται εξαιρετικά αντιδρώντα κράµατα για τα µέσα εγγραφής (λόγω της υψηλής περιεκτικότητας σε τέρβιο). Η έκθεση των µαγνητο-οπτικών φιλµ σε υδατικά διαλύµατα ή σε συνθήκες υψηλής υγρασίας οδηγεί σε µια τοπική προσβολή (pitting), ακόµα και κατά τη διάρκεια αποθήκευσης σε κανονικές συνθήκες γραφείου. Καθώς έχουν γίνει και συνεχίζουν να γίνονται προσπάθειες για να περιοριστεί η διάβρωση των ηλεκτρονικών µε την τοποθέτηση των συστατικών µέσα σε πλαστικό, τα πολυµερή είναι διαπερατά από την υγρασία. Ερµητικά κλειστό «πακετάρισµαpackaging» από κεραµεικά είναι πιο πετυχηµένο παρόλα αυτά πρέπει να ληφθούν µέτρα για να αποφευχθεί το κλείσιµο της υγρασίας και άλλων ρυπαντών µέσα στο σύστηµα. Μια κοινή προσέγγιση για την ελλάττωση της διάβρωσης σε κυκλώµατα που βρίσκονται µέσα σε αρκετά µεγάλο περίβληµα περιλαµβάνει τη χρήση πτητικών αναστολέων, κάτι που βέβαια απαιτεί περιοδική αλλαγή από τον κατασκευαστή. ΚΟΣΤΟΣ ΙΑΒΡΩΣΗΣ Το κόστος της διάβρωσης είναι πολύ δύσκολο να προσδιοριστεί. Είναι δεδοµένο ότι σε πολλές περιπτώσεις, ειδικά σε προϊόντα µαζικής κατανάλωσης, οι συσκευές θα είναι τεχνολογικά ξεπεαρασµένες πολύ πριν προέλθει αστοχία από διάβρωση. Ο µόνος σηµαντικός παράγοντας που θα µπορούσε να παίξει σηµαντικό ρόλο µε την έννοια του κόστους είναι η απώλεια σηµαντικών πληροφοριών µε την καταστροφή των αποθηκευτικών µέσων από διάβρωση. Όµως είναι δεδοµένο πως η πλειοψηφία των χρηστών έχει τουλάχιστον ένα αντίτυπο των ευαίσθητων πληροφοριών που θέλει να διαφυλάξει και αυτό κυρίως για την αποφυγή απώλειας από κάποιο ιό και σε καµία περίπτωση λόγω δίαβρωσης. Έτσι οι βιοµηχανίες που επενδύουν στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών µε µεγάλη διάρκεια ζωής είναι κυρίως εκείνες της αεροναυπηγικής και των πολεµικών συστηµάτων, όπου υπάρχει η τάση να κρατάνε τον εξοπλισµό για µεγαλύτερες χρονικές περιόδους. Γι αυτές η διάβρωση αποτελεί σηµαντικό παράγοντα. Υπάρχει µάλιστα η άποψη ότι η πλειοψηφία των αστοχιών προέρχονται από διάβρωση, αν όχι όλες. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ ΙΚΤΥΑΚΟΙ ΤΟΠΟΙ 1) Υλικά, Παναγιώτα Βασιλείου, Αναπ. Καθηγητής, Ανδρέας Ανδρεόπουλος, Καθηγητής 2) Electronics, Mark Yunovich, Appendix Z 3) Electronics, Robert Baboian, Chapter 70 4)