آفت قلع (Tin Pest یا Tin Disease) یک پدیدهی متالورژیکی وابسته به دما است که طی آن قلع دگرگونی فازی را تجربه میکند. در این حالت قلع از فاز دما بالای خود به فاز دما پایین تبدیل میشود که فاز فوق شکننده است. اهمیت این پدیده در صنعت الکترونیک از آنجا ناشی میشود که بخش قابل توجهی از اتصالات الکتریکی در بردهای مدار چاپی و قطعات مونتاژشده، به اتصالات لحیمی مبتنی بر قلع وابستهاند. هرگونه تخریب تدریجی در ساختار قلع میتواند منجر به افت قابلیت اطمینان، افزایش نرخ خرابی و کاهش طول عمر محصول شود.
با فراگیر شدن استفاده از لحیمهای بدون سرب و کاهش ناخالصیهای بازدارنده مانند سرب، احتمال بروز شرایط مستعد آفت قلع افزایش یافته است. ازاینرو شناخت علمی و صنعتی این پدیده برای مهندسان طراحی، تولید و کنترل کیفیت اهمیت ویژهای دارد.
سازوکار متالورژیکی آفت قلع (تحول β‑Sn به α‑Sn)
قلع در دماهای بالاتر از ۲/۱۳ درجه سانتیگراد در فاز β‑Sn قرار دارد که دارای ساختار بلوری موسوم به تتراگونال است دارای خواص مکانیکی مطلوبی است. این فاز همان ساختار پایدار در آلیاژ پس از لحیمکاری است. اما در دماهای پایینتر از این مقدار، فاز فوق به فاز α‑Sn با ساختار مکعبی تبدیل میشود. این تبدیل فازی با افزایش حجم قابلتوجهی همراه است که تنشهای داخلی شدیدی در ماده ایجاد میکند. نتیجه این فرآیند، ایجاد ترک، کاهش انسجام ساختاری، تردی و در نهایت تبدیل قلع به حالت پودرمانند است. در محیطهای صنعتی، این پدیده بهصورت تدریجی رخ میدهد و معمولاً پس از گذشت زمان مشخصی در شرایط دمای کاری نامناسب قابل مشاهده میشود.
عوامل مؤثر بر بروز آفت قلع در آلیاژهای پایه قلع
بروز آفت قلع تنها تابع دما نیست و مجموعهای از عوامل متالورژیکی و فرآیندی در آن نقش دارند. خلوص بالای قلع یکی از مهمترین این عوامل است. قلع با خلوص بسیار بالا، به دلیل فقدان عناصر بازدارنده، مستعدترین حالت برای تحول فازی محسوب میشود. علاوه بر این، ریزساختار قلع، اندازه دانهها و وجود تنشهای پسماند ناشی از فرآیندهای مکانیکی یا حرارتی میتوانند تشکیل فاز α‑Sn را تسهیل کنند.
مدتزمان قرارگیری در دمای بحرانی نیز تعیینکننده است. محیطهای سردسیر یا شرایط انبارش و حملونقل نامناسب میتوانند حتی بدون استفاده عملی از قلع، شرایط لازم برای آغاز آفت قلع را فراهم آورند.
آفت قلع در لحیمهای بدون سرب و آلیاژهای متداول
در لحیمهای بدون سرب نظیر SAC، Sn‑Ag و Sn‑Cu، بخش عمده ترکیب شیمیایی همچنان قلع است. اگرچه عناصر آلیاژی مانند نقره و مس میتوانند تا حدی پایداری فاز β‑Sn را افزایش دهند، اما این اثر همیشه کافی نیست، بهخصوص زمانی که درصد عناصر آلیاژی پایین باشد یا شرایط کاری مناسب کنترل نشده باشد.
آفت قلع در این آلیاژها میتواند منجر به کاهش استحکام اتصال لحیمی، افزایش ترکهای ریز و افت عملکرد در آزمونهای چرخه حرارتی شود. این موضوع در کاربردهای حساس صنعتی، از جمله تجهیزات مخابراتی و سیستمهای الکترونیکی با قابلیت اطمینان بالا، اهمیت بیشتری پیدا میکند.
تأثیر آفت قلع بر قابلیت اطمینان لحیمکاری
لحیمکاری بهعنوان نقطهای حساس در هر مدار الکترونیکی شناخته میشود. آفت قلع با تضعیف تدریجی ساختار این اتصال، باعث کاهش چسبندگی به پدهای مسی و پایه قطعات میشود. این مسئله بهویژه در قطعات با گام ریز و اتصالات پرچگال بیشتر دیده میشود.
در بسیاری از موارد، خرابی ناشی از آفت قلع بهصورت ناگهانی و بدون هشدار الکتریکی اولیه بروز میکند، که این موضوع خطر آن را از دیدگاه قابلیت اطمینان افزایش میدهد. به همین دلیل، بررسی پیشگیرانه و طراحی مناسب فرآیند، اهمیت بالایی دارد.
راهکارهای صنعتی کنترل و پیشگیری از آفت قلع
کنترل آفت قلع مستلزم رویکردی چندبعدی است. انتخاب آلیاژ مناسب نخستین گام محسوب میشود. استفاده از آلیاژهای استاندارد صنعتی با ترکیب شیمیایی کنترلشده میتواند پایداری ساختار قلع را افزایش دهد. در ادامه، کنترل دقیق فرآیند لحیمکاری، شامل تنظیم پروفایل حرارتی و کاهش تنشهای پسماند، نقش کلیدی ایفا میکند.
شرایط انبارش و حملونقل نیز باید بهعنوان بخشی از فرآیند تضمین کیفیت در نظر گرفته شود. نگهداری آلیاژهای پایه قلع و محصولات مونتاژشده در دماهای خارج از محدوده بحرانی، بهویژه در فصول سرد، یکی از مؤثرترین اقدامات پیشگیرانه است. اجرای الزامات استانداردهای IPC و JEDEC چارچوبی عملی برای این کنترل فراهم میکند.
نقش کیفیت مواد اولیه در کاهش ریسک آفت قلع
کیفیت مواد اولیه و پایداری ترکیب شیمیایی، یکی از عوامل کلیدی در کنترل و کاهش ریسک بروز آفت قلع محسوب میشود. قلع خالص یا آلیاژهای لحیمی که دارای ناخالصیهای کنترلشده و ریزساختار یکنواخت هستند، پایداری فازی بالاتری داشته و در دماهای پایین، تمایل کمتری به تبدیل فاز مخرب β-Sn به α-Sn نشان میدهند.
تأمین قلع و آلیاژهای لحیم از منابع معتبر که بر خلوص شیمیایی، یکنواختی آلیاژسازی و کنترل فرآیند تولید نظارت دقیق دارند، میتواند احتمال بروز آفت قلع را بهطور قابل توجهی کاهش دهد. وجود عناصر آلیاژی کنترلشده مانند نقره، مس یا آنتیموان، در کنار محدودسازی ناخالصیهای بحرانی، نقش مؤثری در افزایش پایداری ساختار بلوری قلع ایفا میکند.
در صنایع الکترونیک و مونتاژ بردهای حساس، استفاده از مواد اولیه با کیفیت صنعتی و مطابق با استانداردهای بینالمللی، نهتنها ریسک آفت قلع را کاهش میدهد، بلکه موجب افزایش قابلیت اطمینان اتصالهای لحیمی، کاهش نرخ خرابی و بهبود عمر کاری محصولات نیز میشود.
جمعبندی
آفت قلع اگرچه یک پدیده متالورژیکی است، اما پیامدهای آن کاملاً صنعتی و اقتصادیاند. در شرایطی که استفاده از لحیمهای بدون سرب به یک الزام جهانی تبدیل شده، کنترل این پدیده نیازمند درک عمیق رفتار قلع، طراحی صحیح فرآیند و انتخاب هوشمندانه مواد اولیه است. اتخاذ رویکردی مهندسی در تمامی مراحل، از تأمین مواد تا تولید و انبارش، میتواند ریسک آفت قلع را به حداقل رسانده و دوام و قابلیت اطمینان محصولات الکترونیکی را تضمین کند.
سوالات متدوال
آیا آفت قلع در لحیمهای بدون سرب رایج است؟
در لحیمهای بدون سرب احتمال بروز آفت قلع بهطور ذاتی وجود دارد، اما با انتخاب آلیاژ مناسب، کنترل فرآیند و رعایت شرایط انبارش، این ریسک در کاربردهای صنعتی بهطور مؤثری قابل کنترل است.
در چه دمایی آفت قلع شکل میگیرد؟
آفت قلع در دماهای پایینتر از حدود ۱۳ درجه سانتیگراد ممکن است آغاز شود و در محدودههای دمایی پایینتر، بهویژه در مواجهه طولانیمدت، شدت مییابد.
آیا آفت قلع باعث خرابی فوری برد الکترونیکی میشود؟
خیر، این پدیده معمولاً تدریجی است، اما در صورت عدم کنترل، میتواند منجر به خرابی ناگهانی و کاهش شدید قابلیت اطمینان در بلندمدت شود.