Identificazione delle cause del whiskering e risoluzione di problemi di ispezione
Il “whiskering” può causare cortocircuiti e altri problemi nei dispositivi elettronici e richiedere l'adozione di contromisure. Questa sezione spiega le cause, i meccanismi di crescita e gli ambienti in cui si forma il whiskering, nonché i vari test di valutazione. Questa sezione introduce anche esempi di utilizzo del nuovo microscopio digitale 4K di KEYENCE, per migliorare i problemi di osservazione del whiskering nello stagno con i microscopi ottici tradizionali o i microscopi elettronici a scansione (SEM).
- Problemi e cause del whiskering
- Test, osservazione e valutazione del whiskering dello stagno
- Esempi di applicazione per l'osservazione e la valutazione del whiskering
- Il nuovo standard per l'osservazione del whiskering dello stagno
Problemi e cause del whiskering
Il whiskering è un fenomeno in cui i metalli formano lunghe proiezioni simili a baffi, che si verifica più comunemente sulla placcatura di stagno e zinco. Se i “baffi” crescono tra i pad di saldatura e si uniscono, possono causare cortocircuiti.
Problemi e storia del whiskering
I cortocircuiti provocano guasti ai prodotti e ai dispositivi elettrici.
Nel 1946 si verificarono numerosi guasti nei prodotti in commercio causati da cortocircuiti nelle radio che utilizzavano condensatori variabili placcati al cadmio. Fu allora che si accesero i riflettori sul whiskering del cadmio.
Negli anni '50 è stata aggiunta una piccola quantità di piombo a una lega per rallentare il whiskering e questa contromisura si è diffusa ampiamente. Dal 2000, con la tendenza a vietare l'uso del piombo nei prodotti, si è diffusa la stagnatura. L'uso dello stagno, tuttavia, ha fatto sì che il whiskering causasse guasti in prodotti che vanno dagli orologi da polso ai reattori nucleari, fino ai satelliti e alle navette spaziali della NASA.
Cause del whiskering
Si ritiene che il whiskering si formi principalmente a causa delle influenze dei seguenti fattori:
- Diffusione nei composti intermetallici
- Corrosione galvanica*
- Stress esterno
- Sollecitazioni generate da una differenza nel coefficiente di espansione termica
Con molti altri possibili fattori, il meccanismo alla base del whiskering non è ancora chiaro.
La corrosione galvanica, nota anche come corrosione bimetallica, si verifica quando due o più metalli diversi vengono messi in contatto elettrico e si crea una differenza di potenziale tra loro.
Ambienti in cui si forma il whiskering
Il whiskering dello stagno e dello zinco si forma e cresce facilmente perché i suoi atomi si diffondono attivamente a temperatura ambiente. Di seguito sono riportate le condizioni ambientali tipiche in cui può formarsi il whiskering:
- Temperatura ambiente
- Cicli di temperatura
- Ossidazione e corrosione
- Pressione esterna
- Elettromigrazione*
Il whiskering si forma a causa dell'elettromigrazione nei semiconduttori ad alta densità di corrente o in confezioni speciali come quelle dei flip chip.
L'elettromigrazione è il trasporto di atomi metallici causato dalla corrente elettrica che attraversa un circuito integrato. Ad esempio, in un filo di alluminio, possono formarsi e crescere whiskering e collinette in corrispondenza dell'anodo come risultato degli atomi di alluminio che si muovono nella direzione del flusso di elettroni.
Test, osservazione e valutazione del whiskering dello stagno
Dal momento che la comparsa e la crescita del whiskering dello stagno, in particolare, possono causare il malfunzionamento di prodotti elettrici ed elettronici, vengono condotti diversi test, osservazioni e valutazioni per implementare le contromisure. Questa sezione introduce i test e le condizioni tipiche utilizzate per valutare il whiskering dello stagno.
Esempi di test di valutazione del whiskering dello stagno
Di seguito sono riportati alcuni esempi dei tipi e delle condizioni dei test attualmente condotti per valutare il whiskering dello stagno.
- Test di conservazione a temperatura ambiente
- Osservazione della crescita di whiskering dello stagno verificatosi a causa dell'influenza della diffusione nei composti intermetallici
Ambiente: 30 ±2°C/60 ±3%RH, tempo: 4000 ore
- Test di temperatura e umidità costanti
- Osservazione della crescita di whiskering nello stagno verificatosi a causa della corrosione galvanica
Ambiente: 55 ±3°C/85 ±3%RH, tempo: 2000 ore
- Test del ciclo di temperatura
- Osservazione della crescita di whiskering nello stagno verificatosi a causa di una differenza nel coefficiente di espansione termica
Ambiente: bassa temperatura -55 ±5°C o -40 ±5°C/alta temperatura 85 ±2°C o 125 ±2°C, numero di cicli: 2000
- Test di stress esterno
- Osservazione della crescita di whiskering nello stagno verificatosi a causa dell'influenza di sollecitazioni esterne
Tipo: test di innesto del connettore (utilizzando prodotti reali), test di carico (utilizzando una sfera di zirconia con un diametro di 0,1 mm e un carico di 300 gf per 500 ore)
Contromisure chiave - Osservazione e valutazione ingrandita
È possibile comprendere in anticipo i rischi di guasto del prodotto e adottare contromisure proattive per tali rischi se le condizioni di formazione e crescita del whiskering dello stagno possono essere analizzate e valutate mediante l'osservazione ingrandita in ogni test. L'osservazione e l'analisi ingrandita consentono di comprendere i rischi e di adottare contromisure prima che il prodotto venga immesso sul mercato. Ad esempio, la scelta di materiali diversi o la modifica del progetto del circuito possono influire sulla comparsa del whiskering.
Per l'osservazione tradizionale e ingrandita del whiskering dello stagno sono stati finora utilizzati microscopi ottici generici o microscopi elettronici a scansione (SEM). Invece della luce, i SEM utilizzano un fascio di elettroni di lunghezza d'onda ridotta per effettuare osservazioni di ordine nanometrico. Negli ultimi anni, tuttavia, i progressi nelle tecnologie dei sistemi ottici e di elaborazione delle immagini hanno portato allo sviluppo di microscopi digitali che consentono di osservare con immagini chiare e operazioni semplici. Questi microscopi digitali possono essere utilizzati per osservare e valutare efficacemente il whiskering dello stagno con immagini chiare.
Esempi di applicazione per l'osservazione e la valutazione del whiskering
I SEM e i microscopi, utilizzati per l'osservazione tradizionale del whiskering dello stagno, presentano diversi problemi.
Il microscopio digitale 4K ad altissima definizione della Serie VHX di KEYENCE si avvale di tecnologie all'avanguardia, come l'obiettivo HR ad alta risoluzione, il sensore immagini CMOS 4K e la illuminazione multiangolare, per consentire un'osservazione ingrandita con semplici operazioni. Questa sezione presenta alcuni esempi di soluzione per i problemi di osservazione e valutazione del whiskering dello stagno tradizionali.
Soluzioni ai problemi di osservazione del whiskering dello stagno con i SEM
Problemi tradizionali con i SEM
Prima di osservare il whiskering dello stagno, la preparazione, compreso il posizionamento del campione nella camera e l'evacuazione della camera per stabilire uno stato di vuoto o di basso vuoto, richiede tempo e risorse.
L'osservazione è possibile solo da sopra il campione. Per osservare il whiskering tridimensionale, è necessario eseguire una serie di procedure di preparazione ogni volta che l'angolo viene modificato.
Con il microscopio digitale 4K Serie VHX
Il sistema ottico di nuova concezione e il sensore immagini CMOS 4K eliminano la necessità di camere a vuoto, rendendo possibile l'osservazione di obiettivi in ambienti non a vuoto, tracciando il campo visivo con ingrandimenti fino a 6000x. L'osservazione è possibile con immagini chiare e ad alta risoluzione in 4K e senza lunghe preparazioni.
Grazie al sistema di osservazione ad angolo libero e al piatto motorizzato XYZ ad alta precisione, l'allineamento del campo visivo, la rotazione e il movimento dell'asse obliquo vengono eseguiti in modo ottimale per l'osservazione inclinata, consentendo agli operatori di osservare liberamente e facilmente da qualsiasi angolazione.
Inoltre, la composizione della profondità acquisisce automaticamente immagini completamente a fuoco, mantenendo un ingrandimento e una risoluzione elevati. Con un solo clic è possibile spostare il piatto nella posizione desiderata, mettere a fuoco automaticamente e acquisire un'immagine, riducendo il tempo necessario per l'osservazione.
Soluzioni ai problemi di osservazione del whiskering dello stagno al microscopio
Problemi tradizionali con i microscopi ottici
Se il whiskering dello stagno è presente in tre dimensioni o se un campione con whiskering è tridimensionale, i microscopi ottici tradizionali mettono a fuoco solo una parte dei “baffi” dello stagno.
Inoltre, l'osservazione inclinata non è disponibile, il che comporta lunghe regolazioni che richiedono il lavoro di un operatore esperto.
Con il microscopio digitale 4K Serie VHX
L'obiettivo HR ad alta risoluzione e il revolver motorizzato consentono un'osservazione ingrandita con immagini chiare in 4K grazie a uno zoom continuo tra 20x e 6000x senza sostituzione dell'obiettivo.
- A. Obiettivo HR ad alta risoluzione
- B. Revolver motorizzato
La composizione in tempo reale mette a fuoco l'intero target di osservazione, anche se presenta irregolarità superficiali o variazioni di altezza. Il design completamente motorizzato consente di eseguire tutte le operazioni con il mouse, migliorando notevolmente l'efficienza del lavoro.
L'uso del sistema di osservazione ad angolo libero e del piatto motorizzato XYZ ad alta precisione consente l'osservazione inclinata, che non era possibile con i microscopi tradizionali. Il whiskering dello stagno cresciuto che forma proiezioni simili a noduli può essere osservato efficacemente nella posizione e dall'angolazione desiderate.
Il nuovo standard per l'osservazione del whiskering dello stagno
Oltre alle funzioni qui introdotte, il microscopio digitale 4K ad alta definizione della Serie VHX è dotato di molte altre funzioni, come la misurazione 3D, che consente la misurazione 3D della forma e del profilo del whiskering dello stagno, la riproduzione, che riproduce automaticamente le condizioni di acquisizione delle immagini e la creazione di report.
Il microscopio digitale 4K della Serie VHX consente agli operatori di quantificare e semplificare l'osservazione, l'analisi e la misurazione del whiskering.
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