הגנת הלחמות ברכיבי הינע

החל משנת 2006 התקבלה החלטה כי כמות השימוש בחומרים מסוכנים הנמצאים במוצרי אלקטרוניקה כגון עופרת, כספית, קדמיום וכרום תוגבל באופן משמעותי באיחוד האירופי ובארצות הברית.  המושגים ללא עופרת (Lead free) וכן הנחיות (Restriction of Hazardous Substances Directive 2002/95/EC) והנחיית  (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive 2002/96/EC) המגדירה את אופן האיסוף והמיחזור של מוצרי אלקטרוניקה הפכו להיות הקו המנחה בתחום. הלחמות ביישומים מסחריים יכילו לרוב פח, נחושת, כסף ואבץ במקום השימוש בעופרת שהיוותה בסיס לרוב ההלחמות. רוב התחליפים נטולי העופרת להלחמות שגרתיות מסוג Sn60/pb40 ו-Sn63/pb37 נקודות היתוך גבוהות ב-5-20 מעלות צלזיוס בהשוואה להלחמות עופרת. הלחמות פח-כסף-נחושת (SN-Ag-Cu) נמצאות ביישומים רבים בגלל נקודת התכה נמוכה.

תמונה 1. קצר כתוצאה משפם בדיל (Tin whisker)

להלחמות ללא עופרת מודל יאנג גבוה מהלחמות על בסיס עופרת כך שהינם יותר פריכות. תכונה זאת יכולה להוביל לכשל בטווח הארוך כתוצאה ממאמצים הנובעים משינויים טרמיים, ביישומים צבאים בהם אחת הדרישות הינה אחסנה ללא תחזוקה מדובר בסיכון בלתי ניתן לחיזוי כיוון שתנאי הסביבה משתנים.

תופעה נוספת הידועה בשם שפמי – בדיל (Tin whiskers) נפוצה בעיקר בהלחמות בהם נעשה שימוש בבדיל בלבד. מבנה גבישי דמוי חוט היכול להגיע לאורך של מילימטרים בודדים מתוך משטח ההלחמה בו נעשה שימוש בבדיל לגימור סופי ( תמונה 1). לא מדובר בתופעה חדשה, רישומים לתופעה קיימים החל משנת 1940. שפמי הבדיל יכולים לגרום לקצרים חשמליים ברכיבים אלקטרוניים, שבירה/חסימה של מעבר אור ברכיבים אופטיים ופגיעה ביכולת המכאנית ברכיבי MEMS. ניסיונות לחזות את התופעה מראש בעזרת מבחני (Accelerate Life Test) לא הניבו תוצאות מוחלטות כיוון שתנאי הסביבה בסימולציה לא גרמו לגדילה מואצת או מואטת, כל שנותר לומר הוא ששפמי בדיל צפויים להיווצר בשימוש בבדיל טהור. במנגנונים חשמליים השפמים יכולים לגרום לקצר רגעי ולאחר מכן בדומה לפיוז חשמלי להפוך לנתק או להינתק פיזית ממצע הגידול ולגרום לקצר באזור אחר.
עדיין לא קיים הסבר מוחלט לתופעה אך קיימות מספר תאוריות הטוענות שמדובר בהליך התגבשות מחודש בו קיימת גדילה החורגת ממשטח המצע.

תאוריה אחרת טוענת שמדובר בתוצאה הנגרמת כחלק מהפגת מתח (strain relief) ובעיקר מתח דחיסה הקיים בציפוי הבדיל בתהליך ההלחמה. לחצים שיובילו לשחרור מאמצים יכולים להיגרם ממספר סיבות. קיימת דיפוזיה בין חומר המצע לבדיל הגורמת להיווצרות של תרכובות המשנות את מרווח השריג בציפוי הבדיל. השוני במרווח מוביל ליצירת לחצים בציפוי הבדיל מה שגורם ליצירת שפמים לצורך שחרור. כמו כן קיימת השפעה של מאמצים חיצוניים כגון הידוק בהליך הדפינה (שימוש בקשיחים), סיבה נוספת

תמונה 2. הלחמות הסלילים לקומוטטור

הינה תהליכים כימיים המתבצעים בציפוי וכן מקדם התפשטות טרמית שונה בין המצע לבדיל. כאן המקום לציין תופעה נוספת הידועה בשם דנדריטים הקיימת גם היא בהלחמות ללא עופרת ונובעת ברוב המקרים מתהליכי הגירה אלקטרוכימיים.

בעוד שתופעת השפמים מופיעה כחוט דק או קנוקנת הגדלים משטח הציפוי כלפי חוץ דנדריטים נראים מעין פתיתי שלג וגדלים על פני השטח עצמו ולא כלפי חוץ כך שכשלים הנובעים מקצרים אינם שכיחים היות ולא קיים שינוי גאומטרי.

כמו כן, התנאים ליצירת דנדריטים נובעים מלחות המסוגלת לגרום להמסת המתכת וסחיפה תחת השפעה של שדה אלקטרומגנטי. בעוד שהסיבה העיקרית להיווצרות שפמים עדיין אינה מוחלטת ידוע שאינה דורשת בפירוק המתכת או השפעה אלקטרומגנטית.
ביישומים צבאיים המאופיינים בתנאי סביבה הכוללים טמפרטורות קיצוניות, לחות, הרעדות והלמים וכן אחסנה לטווח ארוך ללא יכולת תחזוקה, המעבר להלחמות ללא עופרת מהווה אתגר המחייב חיזוק להלחמה שכפי שצוין פריכה מטבעה וכן הגנה בפני קצרים העלולים להיגרם משפמי בדיל.

ביישומים רפואיים, הותר השימוש בעופרת בהתקנים פנימיים עד לשנת 2021. יצרנים רבים מציעים לבצע ציפוי קונפורמי (Conformal Coating) כשכבת הגנה בפני התופעות המוזכרות. מחקרים אכן מראים כי שימוש בציפוי קונפורמי מעכב באופן משמעותי את גדילת השפמים (טבלה 1).

פתרונות נוספים המסייעים למניעה או עיכוב בגדילה הוא שימוש בסגסוגת הכוללת עופרת ביחס של 3% שנמצא כמעכב גידול של שפמים בהלחמות מסוג SnPb בהשוואה לשימוש בבדיל טהור. כמו כן, מומלץ לבצע צילום רנטגן (XRF) בבדיקות הסופיות לחלקים קריטיים. הלחמות מסוג IPC Class 3 יבטיחו הגנה נוספת מנתקים.  עדיין, ברכיבי הינע הכוללים רכיב משוב המבוסס על שטף מגנטי קיימת חשיבות למרחק שבין המגנט לסנסור כך שאסור שתהיה שכבה מבודדת בטווח זה. סיבה נוספת נעוצה בעובדה שמדובר בחלקים נעים ובמידה והציפוי הקונפורמי יחדור לאזורים קריטיים (אזור המברשות או המיסוב) הוא יגרום לכשל כתוצאה מיצירת שכבת בידוד בקומוטטור או חדירה ופגיעה במייסבים.
ברכיבי הינע כחלק מהליך הייצור ישנו צורך בהלחמות בין הסלילים לקומוטטור, היות ומדובר באזור מוגדר ותחום עם הפרדה בין כל נקודת הלחמה הניסיון מראה שכשל

תמונה 3. אזור הלחמות (באדום) ואזורים קריטיים במנוע

כתוצאה מקצר בין נקודות ההלחמה או נתק כתוצאה מפריכות הינו בסבירות נמוכה (תמונה 2). במידה וקיים רכיב משוב (אינקודר – לדוגמא) קיימות בנוסף להלחמות הטרמינלים גם הלחמות עבור מתחי הזנה וערוצי האינקודר. שוב, שימוש בציפוי קונפורמי אינו אפשרי היות וקיימת אפשרות שהוא יחדור לאזור הקומוטציה ויצור נתק כתוצאה משכבה מבודדת או לאזור הגלגל המגנטי וחסימת השטף בין הגלגל לסנסור במידה ויש שימוש ברכיב משוב (תמונה 3). פתרון המוצע על יד היצרן הוא שימוש בדבקים אפוקסיים כחלופה לציפוי קונפורמי. הדבקים הינם בצמיגות גבוהה משל הציפוי הקונפורמי כך שתהליך ההדבקה מבוקר. אזור ההלחמות מצופה בדבק שלאחר הליך התגבשות מגן על ההלחמה גם מנתקים וגם מונע משפמי בדיל לגדול ולגרום לכשל עקב קצר בין מגעים.

בנוסף, על מנת לחזק את ההלחמות מפני מאמצים או כוחות המופעלים עליהם גם בתקופת האחסנה וגם במהלך השימוש ובעיקר כאשר מדובר באפליקציות המאופיינות בטמפרטורה קיצונית, הרעדות והלמים רכיבים אלקטרוניים על גבי ה-PCB עוברים ציפוי עוד בהליך הייצור. צמת החיווט מודבקת לגוף המנוע לצורך שחרור מאמצים ולבסוף רפידות ההלחמה מצופות גם הן (תמונה 4). פתרון זה מספק מענה משולב לדרישות תנאי הסביבה ולתופעות של נתקים וגידול שפמים היכולות להיגרם משימוש בהלחמות ללא עופרת. חברת פאולהבר (גרמניה) המיוצגת בישראל על ידי לוונשטיין

תמונה 4.
1. הדבקת חיווט לגוף המנוע
לשחרור מאמצים
2. כיסוי אזור ההלחמות למניעת
שפמים
3. כיסוי רכיבים אלקטרוניים על גבי
ה-PCB

טכנולוגיות מייצרת מנועי זרם ישר עם וללא מברשות בטכנולוגיית ללא ליבה (ironless) המתאפיינים באורך חיים, יתרון נפח/מומנט, אינרציה נמוכה, נצילות, ויכולת לבצע תכנון לפי דרישה למגוון יישומים בשוק הצבאי, רפואי ואופטי. בנוסף, ליצרן קווי יצור לגירים ואינקודרים בהם ניתן למצוא גירים ללא חופש, פלנטריים ומהירויות גבוהות וכן אינקודרים אופטיים, מגנטיים ואבסולוטיים.

צחי מובשוביץ הינו סמנכ”ל שיווק ופיתוח עסקי בחברת לוונשטיין טכנולוגיות.