זיפי הבדיל לא נעלמו: כנס IPC יוקדש לבעיית ה-Tin Whiskers המחמירה

5 אוקטובר, 2010

יותר מ-60 שנה חלפו מאז שהתגלתה לראשונה תופעת זיפי הבדיל (Tin Whiskers) במעגלים אלקטרוניים, אולם התעשייה עדיין לא מצאה מענה יעיל להתמודדות עם בעיית הייצור המטרידה. בכנס יוצגו פתרונות ננו-טכנולוגיים חדשניים ושיטות חדשות לאיתור וזיהוי התופעה

יותר מ-60 שנה חלפו מאז שהתגלתה לראשונה תופעת זיפי הבדיל (Tin Whiskers) במעגלים אלקטרוניים, אולם התעשייה עדיין לא מצאה מענה יעיל להתמודדות עם בעיית הייצור המטרידה. זיפי הבדיל הינם גבישי בדיל חוטיים וארוכים מאוד אשר נוצרים באופן ספונטני במעגלים אלקטרוניים לאחר ההלחמה. התופעה לא מוסברת לגמרי, אולם גורמת להופעת חוטי מוליך דקיקים, הגורמים לקצר בין מגעים מבודדים ואפילו להשבתת מחברים צפופים.

הכנס הקרוב של IPC, אשר ייערך ב-6-7 בדצמבר בשאובורג, אילינוי, יוקדש להיבטים המעשיים של ההתמודדות עם זיפי בדיל. בכנס יוצגו אמצעים חדשים, דוגמת חומרי ציפוי למניעת התפתחות הזיפים, גימור ברמה ננו-טכנולוגית למניעת היווצרות הזיפים ושיטות לגילוי זיפים ולזיהוי תקלות הנובעות מהתפתחות זיפים.

לפרטים נוספים על הכנס – לחץ כאן.

תופעת זיפי הבדיל אינה חדשה בתעשיית האלקטרוניקה, ומוכרת כבר משנות ה-40 של המאה הקודמת. בשנת 1948 סבלה חברת הטלפונים האמריקאית Bell מסדרה של תקלות במסנני קו אשר הותקנו בערוצים אלחוטיים המשדרים מספר רב של קווי טלפון. בדיקה של המסננים זיהתה את מקור התקלה בהופעת זיפים מתכתיים, ובעקבותיה יזמה בל סדרת מחקרים ללימוד הבעיה המפתיעה.

הממצאים הראשוניים פורסמו בשנת 1951 ומהתוצאות התברר כי הזיפים התפתחו באופן ספונטני בציפויים מתכתיים של רכיבים חשמליים, אשר כוללים את המתכות אבץ, קדמיום ובדיל, ובמקרים מסוימים אף נחושת ואלומיניום. מעבדות בל הוכיחו בתחילת שנות ה-50 כי הזיפים צומחים מבסיסם, באמצעות הוספת חומר מהמצע ממנו צמחו, בעוד שחלקם העליון נותר ללא שינוי.

אומנם פותחו מספר תיאוריות שלא אוששו על הגורם להיווצרות זיפים, אולם ההנחה המקובלת כיום היא שהתופעה קשורה להתגבשות מחודשת (Recrystallization) ולמאמצים מכניים המופעלים על משטחי הלחמה ועל מצעי הנחושת מתחתם. מחקרים שבוצעו במהלך שנות ה-60 הראו שלחצים מכניים על מצע הגידול של הזיפים מזרזים את קצב גידולם מ-1 אנגסטרם לשנייה עד לקצב של 10,000 אנגסטרם לשנייה.

אלא שגם לאחר עשרות שנות מחקר, גורמי התופעה עדיין לא ברורים לגמרי. על פי ההערכות, הם קשורים לגורמים רבים, בהם: מתחים מכניים המופעלים על שכבת הבדיל, חומרים כימיים המשמשים לציפוי מעגלים, חילחול מתכות מהמעגל אל תוך שכבות הבדיל, מאמצים מכניים המופעלים על מחברים, והבדלים במקדמי התפשטות תרמיים בין הבדיל לבין חומרים אחרים במעגל המצויים עימו במגע.

פתרונות מסורתיים

לאורך השנים התמודדה התעשייה עם הבעיה באמצעות שתי דרכים עיקריות להפחתת צמיחת זיפים: שימוש בתוספי עופרת בשיעור של 3%-10% ממשקל הבדיל וציפוי האזורים המועדים לסכנה בחומרים שונים, במיוחד ציפויים המבוססים על חומרים אפוקסיים, המיועדים לייצר חסימה מכנית לצמיחת זיפים. טכניקות אלה הוכחו כיעילות ברמות שונות, אולם מעולם לא בוצע ניסיון לספק הסבר תיאורטי למידת הצלחתן.

במהלך שנות ה-60 פחת העניין בתופעה. אומנם באמצע שנות ה-70 פורסמו הצילומים הראשונים של זיפים שבוצעו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני (Scanning Electron Microscope) על-ידי סוכנות החלל האירופית, במסגרת מחקר שנועד לבחון דרכים לשפר את אמינות המערכות האלקטרוניקה בחלל, אולם מספר המחקרים היה מועט.

אלא שמאז שנת 2002, כאשר האיחוד האירופי החל בהגדרת דירקטיבת RoHS וגיבוש הנחיות Waste Electrical and Electronic Equipment, התמונה החלה להשתנות. שתי היוזמות דורשות מהיצרנים להפסיק את השימוש ברוב התרכובות מכילות העופרת ולאתר אלטרנטיבות שאינן מזיקות לסביבה. הפתרון המועדף על-ידי רוב היצרנים הוא מעבר לשימוש בבדיל טהור, שכן הדבר מאפשר להם להמשיך ולהשתמש בציוד הייצור הישן, אלא שלבחירה זו מחיר כבד: עקב תכונותיו הגבישיות, מועד הבדיל להצמחת זיפים שחלקם עשויים להגיע לאורך של מספר מילימטרים. זיפים אלה עשויים להמשיך ולגדול עד אשר הם יוצרים קצר. הם יכולים להישבר וליצור קצר בנקודה אחרת אליה התגלגלו בתוך המכשיר האלקטרוני, הם יכולים לעורר ניצוץ בין נקודות בעלות הפרש פוטנציאלים גבוה, ולאחר שנשברו, הם יכולים לפגום בפעולתם של מנגנונים מכניים המצויים במערכת האלקטרונית.

העניין הגובר בתופעה בא לידי ביטוי בכך שמספר המחקרים שפורסמו בשנים 2000-2003, גדול ממספר כל המחקרים שפורסמו בשנים 1940-2000. כיום החוקרים נעזרים בכלי מחקר חדשים, בהם מיקרוסקופ קרן יונים (Focused Ion Beam), וניתוח שבירת קרני רנטגן  (X-ray Diffraction), המאפשרים לבחון את המבנים הזעירים ואת הכוחות הפועלים בתוכם.

המחקרים החדשים הראו קשר בין היווצרות הזיפים לבין קיומם של חלקיקים בינ-מתכתיים, אשר נוצרים בנקודת המגע בין הבדיל לבין מצע הנחושת, הנגרמים על-ידי חלחול חלקיקי נחושת אל תוך שכבת הבדיל. מחקרים שבוצעו בטאיוואן ובארה"ב הראו ששימוש בניקל כשכבת ביניים בין הבדיל לנחושת, מאט את התפתחות הזיפים, עקב השוני במאפייני החלחול ההדדי. מחקרים נוספים מהשנים האחרונות הראו קשר בין לחצים מכניים על חומר המצע לבין התפתחות הזיפים, ואולי אף לזיהומים שחדרו אל הבדיל בעת שהותו באמבטיות ההלחמה בשלבי הייצור.

אולם עד היום נכשלה התעשייה בגיבוש שיטות למדידה והערכה, המאפשרות להעריך את רמת הסיכון שבצמיחת זקיק בדיל. בתעשיות שונות הרגישות לאמינות, דוגמת תעשיית התעופה, עדיין משתמשים בתערובות הלחמה המכילות עופרת, אולם יצרני ציוד צרכני או ציוד שאינו נהנה מאישורים מיוחדים, צריכים להתמודד מחדש עם התופעה.

ננו-טכנולוגיה לבלימת זיפים

בעוד המאבק בתופעת הזיפים נמשך בחזית הייצור הסטנדרטית, מסתמנת גישה חדשה להתמודדות עם הבעיה. השימוש בתרכובות הלחמה שאינן מבוססות על בדיל-עופרת מאופיינות בטמפרטורות התכה גבוהות מהתערובת המסורתית, המשפיעות לרעה על אמינות המוצרים ודורשות אימוץ תקנים מחמירים ויקרים. ננו-טכנולוגיה היא חקר הדרכים בהם ניתן לשלוט על מבנה החומר ברמה אטומית או כמעט אטומית, במטרה להשיג חומרים בעלי תכונות מיוחדות והעמקת ההבנה של חומרים קיימים. מאז שנות ה-60 נחקרת היכולת להפחית את טמפרטורת ההתכה של מתכות שונות באמצעות ייצור גרגרי מתכת זעירים, אשר טמפרטורות התכה שלהם נמוכות מאלה של גושי מתכת.

כך למשל, טמפרטורת ההתכה של חלקיקי זהב בקוטר של 20 ננו-מטר נמוכה בכ-50% מטמפרטורות ההתכה של גושי זהב גדולים. פרויקט הננו-טכנולוגיה iNEMI מיועד לבצע פיתוח והדגמת יכולת לייצר חומר הלחמה ברמת הננו-מטר (Nano-solder Paste), הדגמת יכולת ייצור מעשית, הוכחת אמינות אבקת ההחלמה החדשה ופיתוח והדגמת ציוד ייצור עבור החומר החדש. השלב הראשון מתמקד בפיתוח שיטות לייצור חומר הלחמה אמין הבנוי מחלקיקי בדיל קטנים מ-20 ננו-מטר. לפי ההערכה, טמפרטורת ההלחמה בחומרים אלה תרד ל-160 מעלות צלסיוס בלבד (כמעט 100 מעלות צלסיוס פחות מטמפרטורת הלחמת בדיל).

הדבקה באמצעות אנקולי פחמן

חוקרים מהמחלקה לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת מישיגן תפיסה חדשנית לכל סוגיית ההדבקה של רכיבים חשמליים, אשר עשויה להוציא את הבדיל לגמלאות – עם או בלי עופרת. החוקרים בדקו את יכולת ההדבקה של ננו-שפופרות פחמניות (Carbon Nanotubes), אשר באמצעות מניפולציה של תהליך התגבשותם, ניתן להן מבנה של אנקול. כאשר מצמידים שני משטחים שעליהם גודלו האנקולים הזעירים, הם נצמדים אחד לשני בכוח. עקב התכונות החשמליות של צינוריות הפחמן הזעירות, החיבור בעל תכונות מוליכות חשמליות טובות, מתבצע בטמפרטורת החדר, ומצטיין בגמישות רבה: ניתן להדביק שני חומרים בעלי מקדמי התפשטות טרמית שונים, מבלי שייגרמו להם נזקים.

תכונותיהם הגבישיות של אנקולי הפחמן מאפשרים להם להיפתח כאשר מפרידים בין שני החלקים המודבקים, ולאחר מכן הם חוזרים לצורתם המקורית ומאפשרים לבצע הדבקה נוספת. ניסויים באנקולים שנבנו במעבדה, הראו כי ניתן להצמיד ולהפריד ביניהם במערכת הפועלת במרווחים של עד 30 אנגסטרם ובכוח של עד 3 ניוטון. כמובן, כאשר מדובר במשטחים המכילים מברשת אנקולים צפופה, הכוחות עולים בהתאם.

ראוי לציין שמדובר עדיין ברעיון ראשוני המצוי בשלב ניסויי המעבדה ועדיין לא הגיע אל רצפת הייצור. אולם הוא ממחיש את הפוטנציאל המהפכני הצפוי לתעשיית האלקטרוניקה עם התרחבות השימוש בננו-טכנולוגיה בתחומי התעשייה השונים.

פורסם בקטגוריות: חדשות , ייצור וקבלנות משנה