Даже для человека, мало-мальски знакомого с электричеством, факт короткого замыкания не кажется чем-то непонятным и уж точно не видится большим благом. Именно поэтому, все приборы конструируются так, чтобы "+" и "-" никогда не пересекались. Вот только иногда это происходит самопроизвольно.
В некоторых случаях виноват сам пользователь - повредил изоляцию или утопил устройство. Но иногда происходит очень интересное физическое явление. На металле начинают расти так называемые металлические усы, которые и становятся причиной короткого замыкания. Так вырастет в закрытом собранном блоке ус и замкнет ножки микросхемы. Устройство на выброс. Дочитайте до конца, чтобы узнать о природе этих невероятных штуковин.
Что же это за усы?
Когда электроника начала активно развиваться, было обнаружено, что в какой-то момент времени с поверхности металлического припоя для пайки, содержащего олово, начинает расти тонкий металлический ус. Этот ус похож на ниточку и имеет преимущественно микроскопические размеры.
После появления зачатка усика, он укрупняется и становится всё больше и больше. Зафиксировано, что такие интересные артефакты могут достигать размеров волоса. Структура у металлического уса характерна для кристаллической структуры любого металла. Толщина может составлять всего один кристаллик и дальше будут нагромождения одного кристаллика на другой. Чуть позже оно может обрасти новым слоем.
Логика чем-то напоминает неметаллические углеродные усы, которые представляют собой высокопрочные бездефектные тела, буквально выращенные из частиц в нужном направлении. Такими усами армируют композитные материалы, например всем известный карбон или углепластик, если правильно его называть.
В случае металлических сплавов подобные усы называются вискерами. Но в случае изучения металлических усов в электротехники мы рассматриваем только один из подвидов этого образования.
Кстати говоря, науке известно, что рост "электронных" усов возможен не только с поверхности оловосодержащих припоев, но и, например, с поверхности серебра или цинка.
Не стоит думать, что такие "подарки судьбы" не несут никакой серьезной угрозы для современной техники. Даже в 2000-х годах зафиксирован ряд случаев, когда усы подпортили работу некоторых весьма серьезных устройств и привели к ситуации, которая вполне могла стать причиной аварии. Например, 17 апреля 2005 года на одной из атомных станций прозвучал сигнал тревоги. После обследования выяснилось, что все системы работают нормально, а аварийные контакты закоротил такой металлический ус.
Почему металлические усы растут?
Удивительно, но механизм роста и появления металлических усов не объяснен в полном объеме до сих пор.
Есть ряд факторов, которые приводят к ускорению и большей вероятности появления таких артефактов.
В первую очередь, физики обратили внимание, что усы начинают расти не на абы-каком металле, а преимущественно на металлическом припое. Скажем, если в электронном устройстве будут микросхемы с ножками, которые были подвергнуты обработке давлением, то от таких ножек вне зависимости от их состава, усы расти не будут. Точка их роста - именно припой.
Следующий важный момент - преимущественно усы растут от чистых металлов. Если в металле есть легирующие добавки, то рост таких штук сокращается до минимума или вообще не происходит. Поэтому, припои в своё время начали легировать свинцом. Хотя, в настоящее время свинец считается вредной добавкой и его использование сведено к минимуму, всё равно припои продолжают легировать некоторыми элементами, роль которых именно защита от усов.
Важным условием формирования усов является наличие механического напряжения в той области, откуда ус растёт. Это напряжение может быть вызвано как диффузионными факторами, так и температурными. Причем, однозначную корреляцию между свойствами точки роста и формированием самого объекта установить не удалось. В итоге, каждый ученый, который исследовал это странное явление, указывал свои механизмы, которые он считал наиболее соответствующими действительности :)
Взгляд специалиста
Поскольку материаловедение - это всё-таки моя основная специализация, я позволю себе предложить вам своё предположение о росте усов в электротехнике. Ведь с учетом того, что полноценного объяснения пока нет, моё может оказаться вполне допустимым.
Ещё вам может быть интересно почитать полезные статьи про самые разные фильмы на канале друзей нашего проекта, ведь есть такая хорошая фраза. Всё, что может придумать, теоретически может и существовать :)
Итак, нам известно, что всегда, когда мы говорим о росте таких артефактов, наблюдается повышенное механическое напряжение в точке, мы имеем дело с металлами без примеси, дело происходит в присутствии электрического поля, а температуры, как правило, повышенные.
Из курса общей физики мы помним, что граничные объекты всегда обладают интересными свойствами. Одно только поверхностное натяжение в жидкостях чего стоит. Вот и на поверхности припоя формируется некоторый слой со специфическими свойствами.
Я считаю, что этот слой обладает некоторой несплошностью и пористостью. Когда металл у нас чистый, его частицы не связаны с другими частицами легирующих добавок. Подвижность их более высокая. При условии повышения температуры появляется повышенная текучесть.
Поверхность припоя пористая, а механическое напряжение приводит к тому, что внутренняя часть припоя очень медленно выдавливается через них. Появляется зона, пригодная для роста уса. Сами усы вытягиваются под действием электрического поля и естественных диффузионных сил. Каждому новому кристаллику энергетически выгодно расти на своём предшественнике.
Участие в процессе электрического поля также может являться движущей силой. Оно может помогать частицам ускорять диффузионные процессы и выстраивать их в нужной последовательности.
Вот только усы могут расти и в отсутствии электрического тока и, соответственно, электрического поля. Вероятно, внутренние реакции с изменением потенциалов могут иметь место. Но как тогда быть с температурой.
Главная проблема изучения таких усов - невозможность в лаборатории повторить все факторы, которые присутствовали внутри закрытого устройства или в момент роста усов. И хотя металлические усы и выращивали в лабораторных условиях, но далеко не все факторы могли учитывать.
Пожалуйста, подпишитесь на проект, оцените статью лайком и напишите комментарий! Сейчас это очень важно для выживания проекта!
Статьи по теме на моем канале:
Ещё кое-что полезное:
- Путеводитель по научно-популярным каналам ДЗЕНа: смотрите здесь