23.10.2018

Долговременное хранение и консервация электронной компонентной базы (ЭКБ) в АО «ТЕСТПРИБОР»

Гребенщиков П.И.
Начальник испытательной лаборатории ЭКБ, АО «ТЕСТПРИБОР»

При производстве вооружений и военной техники, которая в последнее время насыщается радиоэлектронным оборудованием, проблема долгосрочного хранения и консервации электронных компонентов и устройств принимает все большее значение, т.к. сроки внедрения и производства электронных компонентов и узлов становятся все короче, что не обеспечивает необходимый цикл проектирования производства и эксплуатации создаваемой техники.

Это обусловлено, прежде всего, спецификой производства и эксплуатации военной техники, которые занимают значительные периоды времени и часто еще на этапе проектирования многие электронные компоненты снимаются с производства. Как следствие, значительно осложняется дальнейшая эксплуатация, воспроизводство, модернизация и обслуживание техники.

Электронные компоненты не поддерживаются производителями, вследствие более коротких циклов обновления, дальнейшей миниатюризации или оптимизации продукта.

Долговременное хранение и консервация ЭКБ

Рисунок 1 – Жизненный цикл электронной компонентной базы и требуемая доступность

Актуальность этой проблемы обостряется в связи с тем, что ежегодно увеличивается количество образцов РЭА, эксплуатирующихся за пределами установленных сроков службы, а также количество заказов на их ремонт и модернизацию.

Достаточно часто при изготовлении (ремонте) образцов РЭА с применением ЭКБ с истёкшими сроками хранения разработчик (изготовитель) аппаратуры считают, что ЭКБ, изготовленные до 2010 г. и хранившиеся до настоящего времени в упаковке изготовителя, соответствуют заданному уровню надежности и стойкости.

Очевидные пути решения данной проблемы могут включать в себя замену ЭКБ на более современные аналоги, восстановление производства или проведения исследований по оценке возможности продления показателей сохраняемости ЭКБ. Все это, в свою очередь, требует значительных финансовых и существенных временных затрат.

Наиболее надежной и действенной становится концепция долгосрочной консервации (хранения) электронных компонентов.

Хранение компонентов уже в прошлом было широко распространено с целью покрытия постоянного спроса на компоненты после заявлений о прекращении производства.

Чаще всего компоненты хранились в пакетах с сухим азотом. Потенциальные трудности пайки компенсировались применением подходящего, активированного паяльного флюса

После ввода в действие директивы, ограничивающей содержание вредных веществ RoHS, требования к хранению компонентов резко ужесточились. Слои никеля или никелевых сплавов, ранее применяемых в качестве диффузионного барьера, были исключены для сокращения стоимости.­ Кроме того, применение поверхностей из чистого олова оказывает дополнительные негативные эффекты, такие как склонность к образованию усов и развитие так называемой оловянной чумы, которая будет описана ниже наряду с процессами старения Еще одним существенным фактором является степень уплотнения, которая удваивается каждые 2 года, в соответствии с Законом Мура. Из-за постоянного сокращения дистанций на микросхеме появляются негативные последствия, влияющие на долгосрочную стабильность.­ Таким образом, процессы старения оказывают гораздо более серьезное влияние на электронные компоненты, чем когда-либо прежде.

Процессы окисления и диффузии

Основными причинами возникновения дефектов в следствие неправильного хранения является окисление и диффузия.

Твердотельная диффузия, является физическим эффектом, когда частицы из одного вещества смешиваются с веществами другого. Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам. Каждому механизму диффузии соответствует определенная энергия активации Q, т. е. величина энергетического барьера, который необходимо преодолеть атому при переходе из одного положения в другое. Такие процессы зависят от температуры и усиливаются при её повышении.

Вследствие уменьшения расстояний между транзисторами на кристалле процессы диффузии начинается уже через небольшой срок после изготовления при обычном хранении полупроводниковых компонентов. В этой ситуации простое хранение в азотной среде поможет предотвратить лишь процессы окисления на контактах. Однако такая процедура не влияет на диффузию атомов на чипе, а также на контактах между медью, железом и оловом

Профилактика этой диффузии является наиболее важным фактором при длительном хранении (более 2 лет) электронных компонентов. Единственной возможностью для предотвращения данной атомной диффузии является хранение деталей при низких температурах, так как тепловое движение атомов соответственно уменьшается или полностью прекращается при низких температурах.

Металлы и сплавы, используемые на практике, вследствие воздействия окружающей среды подвергаются постепенному окислению — коррозии. Коррозия протекает при комплексном воздействии неблагоприятных факторов внешней среды, а не только кислорода воздуха: паров воды, агрессивных химических веществ, электрохимических процессов.

Коррозия на уровне компонента и уровне чипа вызывается остатками опасных веществ в синтетических материалах. Она может быть предотвращена с помощью различных, специально разработанных методов абсорбции/адсорбции, специально подобранных для компонентов, хранящихся в настоящее время.

Окись и коррозия на контактах и выводах

Рисунок 2 - Окись и коррозия на контактах и выводах

Следы коррозии на контактных площадках

Рисунок 3 - Следы коррозии на контактных площадках

Влага и вредные вещества

Технологи, работающие с электронными изделиями, знают, что влажность – один из наиболее опасных воздействующих климатических факторов. Нарушение условий хранения компонентов и материалов для производства изделий электроники – основная причина выпуска дефектной продукции и, как следствие, увеличения издержек в производстве.

Влажность способна вызвать различные механические повреждения радиоэлектронных изделий, например, коррозию внутренних слоев печатных плат, разбрызгивание припоя, нарушение паяемости, тепловой распад материалов, появление микротрещин в корпусе интегральных микросхем (ИМС), эффект попкорна и другие.

Эффект попкорна

Сам эффект «Попкорна» – это эффект растрескивания микросхем при пайке.

Эпоксидный материал, которым заполнена микросхема хорошо впитывает влагу, которая накапливается внутри микросхемы. Количество накопленной влаги зависит от времени хранения, водопроницаемости компаунда, размеров корпуса микросхемы и относительной влажности воздуха.

В процессе пайки изделий на плату происходит быстрое испарение, которое приводит к излишнему высокому давлению пара. Испаряющаяся жидкость повышает давление водяного пара в пустотах, образовывающихся из-за расслоения. Такие образом происходит образование вздутий и трещин на корпусе.

Образование вздутий и трещин на корпусе

Рисунок 4 -Эффект попкорна

Как сказано выше, диффузионные процессы, кроме прочего, решающим образом влияют на старение компонентов.­ При надлежащем изменении температуры, зависящие от температуры диффузионные процессы, существенно замедляются.­­ Однако, изменение должно выполняться только в допустимых пределах спецификации. Кроме того, следует учитывать такие эффекты, как, например, так называемая „оловянная чума", которая вызывает рекристаллизацию поверхностей из чистого олова при низких температурах, при этом, они обретают порошкообразную консистенцию и разлетаются. Таким образом, компоненты становятся бесполезными и непригодными!

Старение вследствие образования усов

Усы, это тончайшие, обычно монокристаллические иглы из олова, которые очень быстро растут при благоприятных условиях. Эта тема снова обрела значение при переходе на бессвинцовые припои, так как усы развиваются в основном на поверхности чистого олова. Рост усов может вызвать короткое замыкание между соединениями компонентов, а также неисправности и повреждения компонентов. Основной причиной возникновения усов являются механические напряжения внутри гальванически наносимых слоев олова на свинцовую оправу. В процессе производства они могут появляться при механическом изгибе и литье контактов, а также в результате коррозии и окисления на поверхности олова, или в результате роста интерметаллических фаз (диффузионные процессы). Росту усов в первую очередь способствует температура в диапазоне от 50°C и 90°C, а также влажность воздуха более 75%.

Монокристаллические иглы из олова

Рисунок 5 -Образование нитевидных усов

Долговременное хранение изделий в АО ТЕСТПРИБОР

Образование опасных веществ и окисление, внутренние и внешние процессы диффузии, а также рост усов, оловянная чума, потеря данных и емкости являются эффектами, непосредственно влияющими на наличие и жизненный цикл электронных деталей и компонентов.­­­ Однако, эти эффекты можно гарантированно сократить и почти полностью исключить с помощью соответствующих концепций и процедур

Коррозия на уровне компонента и уровне чипа вызывается остатками опасных веществ в синтетических материалах. Она может быть предотвращена с помощью различных, специально разработанных методов абсорбции/адсорбции, специально подобранных для компонентов, хранящихся в настоящее время.­ Основанием для выбора методов является предварительная тщательная экспертиза и оценка компонентов для хранения, так называемая оценка товаров. Здесь, на текущей стадии старения, фиксируются существующие опасные вещества и возможные риски и устанавливаются необходимые параметры для длительного хранения компонентов.­

Процессы диффузии, как и озвучивалось ранее, возможно существенно замедлить путем контроля температуры хранения.

Дополнительно к описанным мерам хранения компоненты окружаются сверхчистой защитной атмосферой, которая практически останавливает остальные процессы старения.

Контролируемая среда в соответствии с требованиями ESD IEC 61340-5-1 2016:

  • Температура.
  • Влажность.
  • Дымовая и пожарная сигнализация плюс система пожаротушения.
  • Системы контроля доступа и безопасности.
  • Защита от статического электричества: ESD пол, ESD стол, заземление, использование проводящих материалов.
  • Специальные условия хранения: сухой шкаф с ультранизким уровнем влажности.

Долговременное хранение осуществляется согласно специально разработанным и согласованным методикам и позволяет сохранять изделия в рабочем состоянии в течение длительного времени.

www.test-expert.ru