Whiskery cínu v elektronice - Terminologie

Následující článek je příspěvkem k terminologii z oblasti mechanismů poruch elektroniky. Článek navazuje na předchozí terminologická témata: Fyzika poruch, ElektroMigrace, Vady pájených spojů a další. Text vychází z dokumentů technických komisí IEC TC 91, IEC TC 47, IEC TC 48 a z článků české a anglické wikipedie.

Vytváření whiskerů kovů (metal whiskering) a vznik souvisejících poruch elektronických sestav je znám desítky let. Jde např. o whiskery cínu, což jsou vodivé (mono)krystalické struktury cínu (Sn). Jejich růst z povrchů s povlakem cínu (zejména galvanicky nanášených) souvisí zejména s působením mechanického pnutí. Byly pozorovány whiskery cínu o délce až několika milimetrů. Řada poruch elektronických systémů byla přiřazena zkratům, kde whiskery cínu přemostily sousedící vodivé prvky obvodů. Tento problém byl desítky let řešen přidáním olova do pájky (addition of lead to tin solder). Celosvětový trend k bezolovnatým pájkám obnovil ohrožení spolehlivosti a hledání cest pro potlačení problémů s whiskery cínu.

Whiskery (whiskers):

• (Slovník cizích slov) velmi tenká kovová nebo nekovová vlákna s dokonalou atomovou nebo molekulární stavbou;
• (ISO) krátká kovová/keramická vlákna, často monokrystalická tvaru jehliček;
• (IEC) (mono)krystaly spontánně rostoucí z povrchu cínu (Sn), které mohou mít tvar válcový, zahnutý nebo zkroucený;
• (zoology) hmatové vousy kočky atp.

Příklady problémůsouvisejících s whiskery cínu

• Galaxy IV – telekomunikační družice (satellite), která v roce 1998 selhala z důvodu zkratů souvisejících s whiskery cínu. Původně se předpokládalo, že aktuální kosmické prostředí (space weather) přispělo k poruše. Později se však prokázalo, že konformní povlak byl nesprávně použit a dovolil vytváření whiskerů na povlaku čistého cínu. Uvolněné whiskery způsobily poruchu hlavního řídicího počítače (main control computer).
• Jaderná elektrárna Millstone – V roce 2005 došlo k vypnutí jaderné elektrárny (Nuclear Power Plant) Millstone v Connecticutu vyvolanému falešným poplachem, který indikoval nebezpečný pokles tlaku páry (unsafe pressure drop) v systému reaktoru, přičemž tlak páry byl ve skutečnosti správný. Falešný poplach byl vyvolán whiskery cínu, které zkratovaly logickou desku, která odpovídala za monitorování tlaku páry (monitoring the steam pressure) v elektrárně.
• Snímač polohy pedálu plynu vozů TOYOTA – V letech 2005 až 2010 docházelo k nehodám, které souvisely s polohovým senzorem pedálu plynu (accelerator position sensor) některých modelů Toyota. V září 2011 prokázali pracovníci NASA souvislost nehod s whiskery cínu na potenciometrech polohových senzorů pedálu plynu vzorkových modelů vozů Toyota Camry.

Výrobky z pohledu rizika whiskerů:

• Třída 3: životně kritické aplikace, např. obranné, letecké, kosmické a medicinské; čistý cín a slitiny s vysokým obsahem cínu jsou neakceptovatelné.
• Třída 2: obchodní kritické aplikace, např. zařízení telekomunikační infrastruktury, výkonové servery, automobily atd. (dlouhá životnost výrobku).
• Třída 1: průmyslové/spotřební výrobky (střední životnost výrobku).
• Třída 1A: spotřební výrobky (krátká životnost výrobku).

Příklady mechanických pnutí vyvolávající růst whiskerů:

• zbytková pnutí související s galvanickým nanášením;
• mechanicky vyvolaná pnutí;
• pnutí vyvolaná difuzí různých kovů;
• tepelně vyvolaná pnutí;
• gradienty pnutí v materiálech.

Příklady expozic při zkoušení růstu whiskerů cínu na vývodech součástek:

• teplota/vlhkost při skladování (temperature/humidity storage) 30 °C, 60 % RH, 4 000 hodin;
• vysoká teplota/vlhkost při skladování (55 °C a 85 % RH, 4 000 hodin);
• teplotní cyklování (temperature cycling) –55 °C až +85 °C, 1 500 cyklů.

Dokumenty EU související s omezováním olovnatých pájek:

• Prováděcí nařízení Komise (EU) 2019/290 (Commission Implementing Regulation), (formát pro registraci a podávání zpráv výrobců elektrických a elektronických zařízení);
• Prováděcí nařízení Komise (EU) 2017/699 (výpočet hmotnosti elektrických a elektronických zařízení);
• Směrnice WEEE2, 2012/19/EU;
• Směrnice RoHS2, 2011/65/EU;
• Směrnice RoHS1, 2002/96/ES; Směrnice o omezení používání některých nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních (Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment);
• Směrnice WEEE1, 2002/95/EC – Směrnice o odpadních elektrických a elektronických zařízeních (The Waste Electrical and Electronic Equipment Directive).

Komise IEC, které sledují problematiku whiskerů cínu:

• TC 47, Polovodičové součástky (Semiconductor devices);
• TC 48, Elektrické konektory a mechanické konstrukce elektrických a elektronických zařízení (Electrical connectors and mechanical structures for electrical and electronic equipment);
• TC 91, Technologie montáže elektroniky (Elecronics assembly technology).

Dokumenty JEDEC související s whiskery cínu:

• JP002, Current Tin Whisker Theory and Mitigation Practices Guideline (Současné teorie o růstu whiskerů cínu a směrnice k jejich potlačování);
• JESD201, Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes (Environmentální požadavky na přejímku z hlediska náchylnosti k růstu whiskerů na povlacích cínu a slitin cínu).

Dokumenty IEC související s whiskery cínu:

• IEC 60068-2-82:2019, Environmental testing – Part 2-82: Tests – Test Xw1: Whisker test methods for components and parts used in electronic assemblies (Zkoušení vlivu prostředí – Část 2–82: Zkoušky – Zkouška Xw1: Metody zkoušení whiskerů u komponent a dílů používaných v elektronických sestavách);
• IEC 62483:2013, Environmental acceptance requirements for tin whisker susceptibility of tin and tin alloy surface finishes on semiconductor devices (Environmentální požadavky na přejímku povlaků cínu a slitin cínu na polovodičových součástkách z hlediska citlivosti na tvorbu whiskerů cínu);
• IEC 60512-16-21, Connectors for electronic equipment – Tests and measurements – Part 16-21: Mechanical tests on contacts and terminations – Test 16u: Whisker test via the application of external mechanical stresses (Konektory pro elektronická zařízení – Zkoušky a měření – Část 16-21: Mechanické zkoušky na kontaktech a připojeních – Zkouška 16u: Zkouška růstu whiskerů použitím vnějšího mechanického namáhání);
• IEC/TS 62647, Process management for avionics – Aerospace and defence electronic systems containing lead-free solder (Management procesu pro avioniku – Elektronické systémy pro letectví, kosmonautiku a obranu).

Vysvětlivky k souvisejícím termínům

• Aerokosmonautika (aerospace) zahrnuje technologie a praktickou činnost v letectví a kosmonautice. Jde tedy o létání jak v zemské atmosféře, tak mimo zemskou atmosféru (kosmické letadlo).
• Avionika (avionics) je souhrnný název pro vybavení letadel elektrickými a elektronickými přístroji, např. autopilot, navigace nebo palubní počítač.
• Dendrity (dendrits) mají tvar „kapradí“, rostou po povrchu kovu, kdežto kovové whiskery připomínají „vlásky“ vyčnívající kolmo na povrch. Růst dendritů vyžaduje vlhkost umožňující rozpouštění kovových iontů do roztoku, které jsou pak přerozděleny pomocí elektromigrace v přítomnosti elektromagnetického pole.
• EIA, Electronic Industries Alliance, zanikla 2011.
• JEDEC Solid State Technology Association, původně Joint Electron Device Engineering Council; společná organizace EIA a NEMA, založena 1958.
• NEMA, National Electrical Manufacturers Association, založena 1926.
• Praxe při potlačování whiskerů cínu (tin whisker mitigation practice) jsou postupy prováděné v průběhu výroby komponent z důvodu snížení tendence k růstu whiskerů cínu pomocí minimalizace kompresního namáhání povrchového povlaku.
• Whiskery zinku ve vzduchu (airborne zinc whiskers) odpovídají za zvýšenou četnost poruch systémů v místnostech s počítačovými servery. Whiskery zinku rostou z galvanicky nanášených kovových povrchů rychlostí až několika milimetrů za rok s průměrem několika mikrometrů.
• Zkušební kupon na whiskery (whisker test coupon) je kovový díl specifikovaného rozměru a tvaru, který má cínový povlak galvanický nebo vytvořený ponorem za účelem měření sklonu k vytváření a růstu whiskerů.