Początkowo w porównaniu do rozwiązań elektromechanicznych, elektronika miała same zalety – była mniejsza, zużywała o wiele mniej energii, działała o rzędy wielkości szybciej. Gdy pojawiły się mikroprocesory, stała się także bardzo elastyczna. Zamiast zmieniać urządzenie, niekiedy wystarczy wymienić w nim oprogramowanie. Nadal jednak występują awarie, które mają wiele różnych przyczyn. Oto niektóre z nich.

Celowe postarzanie produktu

Sprawa stara jak świat, najgłośniejszy był przedwojenny kartel żarówkowy, czyli planowane limitowanie trwałości żarówek (zapraszam na film umieszczony na końcu wpisu). W Polsce był on dokuczliwy, ale na szczęście nie tak bardzo, gdyż działali lokalni producenci, tacy jak Zakład Akcyjnego Towarzystwa Fabryki Lamp Elektrycznych „Cyrkon”, założony w 1906r. Oto żarówka tej firmy w zbiorach miłośnika technologii oświetleniowej. Ta żarówka ma prawie sto lat i nadal świeci.

Przedwojenna żarówka firmy Cyrkon, zdjęcie użytkownika Whites86, forum lighting-gallery.pl

Przedwojenna żarówka firmy Cyrkon, zdjęcie użytkownika Whites86, forum lighting-gallery.pl

Jako ciekawostkę dodam, że przed wojną były warsztaty, które prowadziły naprawę żarówek!

Obecnie celowe postarzanie produktów można zrealizować na kilka sposobów.
za pomocą oprogramowania (najtrudniejsze do udowodnienia, ale każdy z miłośników elektroniki wie, jak wolno działają nowsze wersje oprogramowania na starszym sprzęcie),
wprowadzanie elementów zliczających działanie (to mają niemal wszystkie drukarki atramentowe i większość laserowych)
zaplanowanie chłodzenia układu w taki sposób, by ograniczyć trwałość (lampy LED, konstrukcje komputerowe, w tym niektóre laptopy),
łączenie elementów trwałych z nietrwałymi w jeden moduł (na przykład przepływomierze w silnikach spalinowych stanowią połączenie cienkiego drutu czujnika z układem elektronicznym),
umieszczanie kondensatorów elektrolitycznych blisko elementów wydzielających ciepło (standard w dzisiejszych monitorach i niektórych płytach głównych, a także w modułach elektronicznych w urządzeniach AGD, przy czym często są stosowane kondensatory słabszej jakości, przeznaczone do pracy w węższym zakresie temperatur),
stosowanie niewymiennych modułów zasilania, które szybko straci pojemność (akumulatory litowo-jonowe ładowane do maksymalnego napięcia dużym prądem – standard w dzisiejszych telefonach).
lutowanie stopem bezołowiowym przy niezachowaniu odpowiednich procedur poprawy trwałości połączeń.

Problemy ze stopem lutowniczym

Główną przyczyną jest zakaz używania stopu cynowo-ołowiowego (Sn/Pb) poza zastosowaniami, gdzie krytyczne jest bezpieczeństwo. Lutowanie stopem bezołowiowym wymaga innej technologii, początkowo także wyższej temperatury – eutektyczny stop cynowo/ołowiowy (63% cyny + 37% ołowiu) ma temperaturę topnienia 183 stopnie, a jego zamiennik cynowo-srebrowo-miedziany wymaga temperatury 217 stopni. Opracowano nowsze stopy lutownicze o niższej temperaturze topnienia, ale w odróżnieniu od cynowo-ołowiowego, charakteryzują się kruchością mechaniczną. Stopy bezołowiowe (określane żargonowo RoHS od dyrektywy ograniczającej użycie szkodliwych metali ciężkich) mają wyższy moduł Youga od Sn/Pb i przy deformacji stają się kruche. Ma to krytyczne znaczenie w sprzęcie powszechnego użytku, w którym płytka drukowana może ulegać naprężeniom. Wtedy pole lutownicze pęka i całe urządzenie przestaje działać.

Pęknięte lutowanie BGA w konsoli Sony Playstation, źródło playbackups.com

Pęknięte lutowanie BGA w konsoli Sony Playstation, źródło playbackups.com

 

Podobny skutek ma efekt Kirkendalla. Między innymi dlatego komputery z płytami głównymi lutowanymi przed wprowadzeniem dyrektywy RoHS mogą działać bardzo długo, a nowsze laptopy – już niekoniecznie. Dotyczy to także sprzętu komunikacyjnego – osobiście naprawiałem luty w kilku transceiverach, użycie starego stopu lutowniczego cynowo-ołowiowego rozwiązało problem. Urządzenia do zastosowań specjalnych nadal są lutowane z użyciem stopu SnPb i odpowiednich procedur (by uniknąć tak zwanych zimnych lutów), gdyż wojsko oczekuje niezawodności.

Problemy metalurgiczne

Chociaż po części wiąże się z zastosowaniem stopu bezołowiowego (patrz wyżej), problem był badany jeszcze zanim wprowadzono dyrektywę RoHS. Jednym z nich jest tworzenie wąsów cynowych – bardzo cienkich struktur metalicznych, które „same” wyrastają z powierzchni niektórych metali, takich jak cyna. Z czasem powodują zwarcie.

Tin whisker, źródło - nasa.gov

Tin whisker, źródło – nasa.gov

 

Tin whisker, urządzenie militarne, źródło acc.dau.mil

Tin whisker, urządzenie militarne, źródło acc.dau.mil

Cienki drucik cynowy zwany popularnie tin whisker bywa przyczyną wielu uszkodzeń, zarówno na ziemi, jak i w kosmosie. W warunkach obniżonego ciśnienia może nawet spowodować powstanie łuku par metali, który zniszczył niejedno urządzenie. Cynowe wąsy rosną od podstawy, mogą mieć nawet centymetr długości i średnicę około mikrometra, najczęściej łączą pola lutownicze odległe o około 3mm.

Dendryty i wąsy cynowe

Dendryty i wąsy cynowe, źródło – Wikimedia

Jak dotąd nie znaleziono jednoznacznej przyczyny powstawania tego zjawiska, które jest nieco inne od struktur zwanych dendrytami.

TinWhiskers460x276

Wąsy cynowe, źródło guim.co.uk

Powstawanie takich właśnie struktur jak dendryty i wąsy obserwowano od dawna. Nowe stopy lutownicze SnAgCu sprawiają, że wąsy rosną szybko. Zdjęcie po dwuletniej eksploatacji urządzenia.

Osobiście naprawiałem dwa urządzenia, które uległy awarii spowodowanej przez wąsy cynowe, po wymianie uszkodzonego układu scalonego, odessałem stary stop i przelutowałem wszystkie pola z użyciem starego SnPb. Zasilacz działa do dziś.
Polecam lekturę poświęconą wąsom cynowym na stronach NASA, phys.org oraz acc.dau.mil
Wąsy cynowe były odpowiedzialne za awarię między innymi urządzeń z sektora nuklernego, pocisków Patriot (PAC-2), komputerów NASA, rozruszników serca, a także radarów w samolotach F-15.

Niedopracowana konstrukcja

Pośpiech spowodowany koniecznością wydania urządzenia do sprzedaży udziela się także konstruktorom elektroniki. Chociaż modelowanie matematyczne jest bardzo zaawansowane, niektóre projekty zawierają niedopatrzenia konstrukcyjne. Najczęściej dotyczą one przekraczania wartości granicznych wybranych elementów (napięcie, prąd, moc tracona), co skutkuje awarią. Wymiana na nowy identyczny podzespół niewiele daje, gdyż niezbędna jest zmiana konstrukcyjna urządzenia lub użycie innego podzespołu o szerszym zakresie parametrów pracy. Podobne problemy spotykałem wielokrotnie w nowszych konstrukcjach radiowych i zasilaczach.

Zastosowanie widocznego radiatora usuwa przyczynę awarii układu scalonego

Zastosowanie widocznego radiatora usuwa przyczynę awarii układu scalonego w nadajniku urządzenia ICOM-746Pro


Doświadczenie elektroników sprawia jednak, że takie konstrukcje można stosunkowo prosto naprawić. Czasami rozwiązanie problemu bywa bardzo proste, na przykład ograniczenie mocy wyjściowej, dodanie radiatora lub wprowadzenie zabezpieczenia przed przekroczeniem wartości granicznych.
Do tej samej grupy należą błędy w oprogramowaniu. Gdyby twórcy mieli więcej czasu i zasobów na testy, bardzo wiele z tych błędów można było wykryć i wyeliminować.

Problemy mechaniczne

Urządzenia elektroniczne wymagają do swojego działania konstrukcji mechanicznych, takich jak choćby obudowa lub manipulatory (przełączniki, potencjometry). Właśnie te elementy ulegają częstym awariom, które albo wyłączają całość z eksploatacji (nie da się włączyć, bo wyłącznik zepsuty) albo powodują dalsze uszkodzenia (pęka płyta główna z powodu większych naprężeń spowodowanych pęknięciem obudowy).

awaria obudowy laptopa

Awaria obudowy laptopa


Jedną z przyczyn jest trend redukcji masy urządzeń. Mój pierwszy telefon komórkowy ważył trzy razy tyle, co obecny smartfon.

ekran iphone'a

Szklany ekran iPhone’a po upadku na podłogę.

Inną przyczyną jest używanie kruchych materiałów, takich jak szkło. Pęknięta szyba jest chyba najczęstszą awarią dzisiejszych telefonów. Elektronika jest sprawna, ale niestety nie nadaje się do użytku.

Czy to znaczy, że elektronika jest dziś nietrwała?

Być może. Radio Sony ICF7600DS z 1984r. działa bez awarii do dziś, ma ponad 30 lat. Tymczasem mało który ze sprzedawanych dziś smartfonów przetrwa dłużej niż 3-4 lata eksploatacji.
Sony ICF7600DS, 1984r. nadal sprawne

Zapraszam do obejrzenia filmu o celowym postarzaniu produktów.