Whisker (Metallurgie) - Whisker (metallurgy)

Silberne Whisker wachsen aus oberflächenmontierten Widerständen

Metall-Whisker ist ein Phänomen, das in elektrischen Geräten auftritt, wenn Metalle im Laufe der Zeit lange Whisker-ähnliche Vorsprünge bilden. Zinn - Whisker wurden in dem bemerkt und dokumentierten Vakuumröhre Zeitalter der Elektronik im frühen 20. Jahrhundert in Ausrüstung , die verwendete reinen oder fast reinen, Lötzinn in ihrer Herstellung. Es wurde festgestellt, dass kleine Metallhaare oder -ranken zwischen Metalllötpads wuchsen und Kurzschlüsse verursachten . Metallwhisker bilden sich bei Druckspannung. Zink- , Cadmium- und sogar Blei- Whisker wurden dokumentiert. Viele Techniken werden verwendet, um das Problem zu mildern, einschließlich Änderungen des Glühprozesses (Heizen und Kühlen), Hinzufügen von Elementen wie Kupfer und Nickel und Einschließen von Schutzbeschichtungen . Traditionell wurde Blei zugesetzt, um das Whiskerwachstum in Loten auf Zinnbasis zu verlangsamen.

Nach der Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung gefährlicher Stoffe (RoHS) verbot die Europäische Union ab 2006 die Verwendung von Blei in den meisten Unterhaltungselektronikprodukten aufgrund von Gesundheitsproblemen im Zusammenhang mit Blei und dem Problem des "High-Tech-Mülls", was zu einer Neuausrichtung führte das Problem der Whiskerbildung in bleifreien Loten .

Mechanismus

Mikroskopische Ansicht von Zinn zum Löten elektronischer Komponenten mit einem Whisker

Metall-Whisker ist ein kristallines metallurgisches Phänomen, bei dem winzige, fadenförmige Haare von einer metallischen Oberfläche spontan wachsen . Der Effekt tritt hauptsächlich bei elementaren Metallen auf, tritt aber auch bei Legierungen auf .

Der Mechanismus hinter Metall Whisker - Wachstum ist nicht gut verstanden , scheint aber durch mechanische Druck gefördert werden Spannungen einschließlich:

  • Restspannungen durch Galvanik ,
  • mechanisch induzierte Spannungen,
  • durch Diffusion verschiedener Metalle induzierte Spannungen ,
  • thermisch induzierte Spannungen und
  • Dehnungsgradienten in Materialien.

Metallwhisker unterscheiden sich in mehreren Punkten von metallischen Dendriten . Dendriten ist fern -förmigen, und über die Oberfläche des Metalls wachsen, während Metall Whisker haarähnliche und steht senkrecht zur Oberfläche ist. Das Wachstum von Dendriten erfordert Feuchtigkeit, die das Metall in einer Lösung von Metallionen auflösen kann, die dann durch Elektromigration in Gegenwart eines elektromagnetischen Feldes neu verteilt werden . Während der genaue Mechanismus für die Whiskerbildung unbekannt bleibt, ist bekannt, dass die Whiskerbildung weder das Auflösen des Metalls noch das Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes erfordert .

Auswirkungen

Mehrere mm lange Zinkwhisker auf verzinktem Stahl

Whisker können Kurzschlüsse und Lichtbögen in elektrischen Geräten verursachen. Das Phänomen wurde Ende der 1940er Jahre von Telefongesellschaften entdeckt, und später wurde festgestellt, dass die Zugabe von Blei zu Zinnlot eine Minderung ermöglichte. Die am 1. Juli 2006 in Kraft getretene Europäische Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung gefährlicher Stoffe (RoHS) hat die Verwendung von Blei in verschiedenen Arten von elektronischen und elektrischen Geräten eingeschränkt. Dies hat die Verwendung von bleifreien Legierungen mit dem Schwerpunkt auf der Verhinderung der Whiskerbildung vorangetrieben, siehe § Minderung und Beseitigung . Andere haben sich auf die Entwicklung von Sauerstoffbarrierebeschichtungen konzentriert, um die Bildung von Whiskern zu verhindern.

Airborne Zink - Whisker wurden für erhöhte Systemausfallraten in verantwortlichen Computer Serverräume . Zinkwhisker wachsen aus verzinkten (galvanisierten) Metalloberflächen mit einer Geschwindigkeit von bis zu einem Millimeter pro Jahr und einem Durchmesser von wenigen Mikrometern. Whiskers können an der Unterseite der Zink bilden elektroplattiert Bodenfliesen auf Doppelböden zu Spannungen infolge angelegt wird, wenn über sie gehen; Diese Whisker können dann im Boden der Luft schweben Plenum , wenn die Fliesen gestört werden, in der Regel während der Wartung. Whisker können klein genug sein, um Luftfilter zu passieren, und sich im Gerät absetzen, was zu Kurzschlüssen und Systemausfällen führt.

Zinn - Whisker müssen nicht zu Schäden an Geräten der Luft, da sie in der Regel bereits in einer Umgebung aufwachsen , wo sie Kurzschlüsse produzieren können. Bei Frequenzen oberhalb von 6 GHz oder in schnellen digitalen Schaltungen, können Zinn - Whisker wie Miniatur wirken Antennen , beeinflussen die Schaltungsimpedanz und verursachen Reflexionen. In Computerlaufwerken können sie abbrechen und Kopfabstürze oder Lagerausfälle verursachen. Zinnwhisker verursachen häufig Ausfälle in Relais und wurden bei der Untersuchung ausgefallener Relais in Kernkraftwerken festgestellt . Herzschrittmacher wurden wegen Zinnschnurrhaaren zurückgerufen. Die Forschung hat auch einen bestimmten Fehlermodus für Zinnwhisker im Vakuum (z. B. im Weltraum) identifiziert, bei dem in Hochleistungskomponenten ein kurzschließender Zinnwhisker in ein Plasma ionisiert wird, das Hunderte von Ampere Strom leiten kann und massiv zunimmt die schädliche Wirkung des Kurzschlusses. Die mögliche Zunahme der Verwendung von reinem Zinn in der Elektronik aufgrund der RoHS- Richtlinie veranlasste JEDEC und IPC , einen Standard für die Prüfung der Akzeptanz von Zinnwhiskern und eine Richtlinie für Minderungspraktiken zu veröffentlichen, die den Herstellern helfen sollen, das Risiko von Zinnwhiskern in bleifreien Produkten zu verringern.

Silber- Whisker erscheinen oft in Verbindung mit einer Schicht aus Silbersulfid welche Formen auf der Oberfläche der Silber elektrischen Kontakte in einer Atmosphäre reich an Betriebs Schwefelwasserstoff und hoher Luftfeuchtigkeit . Solche Atmosphären können in Kläranlagen und Papierfabriken herrschen .

Whisker mit einer Länge von mehr als 20 um wurden auf vergoldeten Oberflächen beobachtet und in einem internen Memorandum der NASA von 2003 vermerkt.

Die Auswirkungen von Metall-Whisker wurden im Programm Engineering Disasters 19 von History Channel aufgezeichnet .

Minderung und Beseitigung

Bei laufender Forschung in diesem Bereich werden verschiedene Ansätze verwendet, um das Whiskerwachstum zu reduzieren oder zu eliminieren.

Konforme Beschichtungen

Konforme Verbundbeschichtungen verhindern, dass die Whisker eine Barriere durchdringen, einen nahe gelegenen Abschluss erreichen und einen Kurzschluss bilden. Dazu gehören Barrieren aus einer keramischen oder polymeren Verbindung. Polymerverbindungen neigen dazu, den Whisker abzulenken, während keramische Chemikalien ein Durchstechen der Beschichtung verhindern.

Ändern der Beschichtungschemie

In kontrollierten Versuchen wurde gezeigt, dass die Beendigung von Nickel, Gold oder Palladium das Whisker eliminiert.

Beispiele und Vorfälle für Zinnwhisker

Galaxie IV

Galaxy IV war ein Telekommunikationssatellit, der 1998 aufgrund von Kurzschlüssen durch Zinnwhisker deaktiviert wurde und verloren ging. Zunächst wurde angenommen, dass das Weltraumwetter zum Ausfall beitrug. Später wurde jedoch festgestellt, dass eine konforme Beschichtung falsch aufgebracht worden war, wodurch sich Whisker bildeten in der reinen Verzinnung, um ihren Weg durch einen fehlenden Beschichtungsbereich zu finden, was zu einem Ausfall des Hauptsteuercomputers führt. Der Hersteller Hughes hat sich für die Vernickelung und nicht für Zinn entschieden, um das Risiko des Whiskerwachstums zu verringern. Der Kompromiss war eine Gewichtszunahme, bei der 50 bis 100 Kilogramm pro Nutzlast hinzugefügt wurden.

Kernkraftwerk Millstone

Am 17. April 2005 wurde das Kernkraftwerk Millstone in Connecticut aufgrund eines "Fehlalarms" stillgelegt, der auf einen unsicheren Druckabfall im Dampfsystem des Reaktors hinwies, als der Dampfdruck tatsächlich nominal war. Der Fehlalarm wurde durch einen Zinn-Whisker verursacht, der die Hauptplatine kurzschloss, die für die Überwachung der Dampfdruckleitungen im Kraftwerk verantwortlich war.

Toyota Gaspedalstellungssensoren falsch positiv

Im September 2011 behaupteten drei NASA-Ermittler, dass die Zinn-Whisker, die sie auf den Beschleuniger-Positionssensoren von Modellen von Toyota Camry identifizierten, zu den Abstürzen des "festgefahrenen Beschleunigers" beitragen könnten, die bestimmte Toyota-Modelle im Zeitraum 2005–2010 betrafen. Dies widersprach einer früheren 10-monatigen gemeinsamen Untersuchung der National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) und einer großen Gruppe anderer NASA-Forscher, bei der keine elektronischen Defekte festgestellt wurden.

Im Jahr 2012 behauptete NHTSA jedoch: "Wir glauben nicht, dass Zinnwhisker eine plausible Erklärung für diese Vorfälle sind ... [die wahrscheinliche Ursache war] eine falsche Pedalanwendung ."

Toyota behauptet auch, dass Zinnwhisker nicht die Ursache für festsitzende Beschleunigerprobleme waren: "Mit den Worten des US-Verkehrsministers Ray LaHood:" Das Urteil steht fest. Es gibt keine elektronisch basierte Ursache für unbeabsichtigte Hochgeschwindigkeitsbeschleunigung in Toyotas . ' "Laut einer Pressemitteilung Toyota,‚gibt keine Daten , die Zinn - Whisker sind anfälliger in Toyota - Fahrzeugen als jedes andere Fahrzeug auf dem Markt aufzutreten.‘ Toyota erklärt außerdem, dass "ihre Systeme darauf ausgelegt sind, das Risiko zu verringern, dass sich überhaupt Zinnwhisker bilden."

Siehe auch

Verweise

Externe Links