Wąsy cynowe odpowiedzialne za 11% awarii

© NASA

Przyrastanie „wąsów cynowych” zostało pierwszy raz odnotowane w latach 40-tych i 50-tych ubiegłego stulecia i od tamtej pory nie udało się go w pełni wytłumaczyć. Jedyna znana metoda zapobiegawcza to dodanie do stopu około 3% ołowiu. Niestety, wprowadzenie od 2006 roku obostrzeń w stosowaniu ołowiu i w efekcie jego wycofanie z elementów elektronicznych, spowodowało ponowne nasilenie występowania tej wady na świecie. Jest to szczególnie widoczne dla wykończeń czysto cynowych, które stały się bardzo popularne po wprowadzeniu dyrektywy ROHS. Cyna nie jest jedynym metalem, na którym wyrastają whiskery. Innymi przykładami metali obciążonych tą wadą są cynk, kadm i srebro. Poważnym problemem jest trudność dostrzeżenia pojedynczych wąsów. Na zdjęciu obok porównanie grubości ludzkiego włosa i whiskera cynowego. Czym są dokładnie whiskery? Przede wszystkim nie należy mylić „wąsów cynowych” z dendrytami utworzonymi w trakcie elektrochemicznych procesów migracyjnych. Dendryty tworzą struktury płaskie, rozprzestrzeniające się po powierzchni, a whiskery wychodzą na zewnątrz materiału tworząc cienkie struny o grubości kilku mikronów. Mechanizm powstawania dendrytów jest znany i wymaga wilgoci, aby umożliwić rozpuszczanie metalu do roztworu jonów metalu, które w wyniku elektromigracji są rozprzestrzeniane w obecności pola elektromagnetycznego. Chociaż nie znamy mechanizmów powstawania whiskerów, to wiadomo, że nie wymagają one obecności pola elektromagnetycznego ani rozpuszczania. Kształty, jakie przyjmują „wąsy”, są różne, ale niemal wszystkie wędrują od powierzchni, na której wyrosły. Mogą tworzyć miniaturowe piramidki, haki, zawijać się lub zmieniać kierunek wzrostu. Tak jak wspomnieliśmy nie znamy dokładnych warunków, które determinują długość i ilość whiskerów, a wiele badań w różnych częściach świata przynosi sprzeczne rezultaty. Część badaczy nie odnotowuje wpływu wilgotności otoczenia na przyrost „wąsów”, podczas gdy inni zalecają unikać wysokiej wilgotności powietrza (85%+). Trochę lepiej ma się sprawa z badaniami nad wpływem temperatury, w tej kwestii zgodnie odnotowano zatrzymanie wzrostu „wąsów” powyżej 150 stopni Celsjusza, chociaż z punktu widzenia praktycznego nie ma to dla nas znaczenia. Temperatury, w których pracuje większość urządzeń są o wiele niższe, więc nie uchroni to nas przed awarią. Udział NASA w badaniach nad whiskerami Próżnia i brak grawitacji nie powstrzymuje zjawiska whiskerów, dlatego Amerykańska Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) powołała specjalny zespół do walki z „wąsami cynowymi”. Znane są trzy przypadki całkowitej utraty satelity w wyniku wystąpienia tej wady. Warto dodać, że każdy z tych satelitów miał zdublowane kluczowe podzespoły, a mimo to w każdym przypadku oba moduły uległy uszkodzeniu w wyniku whiskerów.

© NASA Szafa z podzespołami

Ostatni z satelitów GALAXY IIIR wystrzelony 15 grudnia 1995 roku, utracił pierwszy kontroler 21 kwietnia 2001 roku, a drugi po 5 latach w styczniu 2006 roku. Według danych NASA na orbicie znajdują się jeszcze cztery satelity, które już utraciły podstawowe układy kontroli i działają na dodatkowych modułach. Ich utrata jest tylko kwestią czasu. Amerykańska NASA nie udostępnia danych dotyczących satelitów wojskowych i szpiegowskich, ale możemy przypuszczać, że również dochodzi do takich awarii. Realne zagrożenie Jeżeli wizja utraty bardzo kosztownego satelity nie przekona nas do pochylenia się nad problemem, to jest mnóstwo innych przykładów potwierdzonych awarii związanych z „wąsami cynowymi”. Wiosną 2005 roku elektrownia atomowa Millstone Power Station w Connecticut w USA została wyłączona na 24 godziny wyniku załączenia obwodów bezpieczeństwa odpowiedzialnych za bezpieczną pracę reaktora. Przyczyną wyłączenia był wadliwie działający obwód pomiaru ciśnienia, dokładniej karta sterownika, na której wykryto zwarcia spowodowane „wąsami cynowymi”. Nie doszło do tragedii, jednak łatwo sobie wyobrazić odwrotną sytuację, w której obwody pomiarowe nie zadziałają w czasie prawdziwej awarii. Najgłośniejszym medialnie przypadkiem awarii wywołanej whiskerami jest sprawa Toyoty i ich problemy z samoczynnym przyspieszaniem auta. W sprawę również została zaangażowana agencja NASA, która przebadała elektronikę Toyoty i znalazła „wąsy cynowe” na potencjometrze układu przyspieszenia. Na zdjęciu widoczne naruszenie minimalnego odstępu elektrycznego w samochodzie Toyota Camry z 2003 roku. Whisker pomiędzy wyprowadzeniami VPA1 i VPA2 miał 248 Ohm rezystancji, 1.1 mikrona średnicy oraz 1.9 mm długości. Ten mały drobiazg kosztował potężny koncern utratę wizerunku niezawodnego i solidnego producenta.

© NASA Zwarcie potencjometru TOYOT'y

Poważnym problemem w ocenie ryzyka wystąpienia whiskerów jest tak zwany okres inkubacji (uśpienia), podczas którego nie występuje zjawisko przyrastania „wąsów cynowych”. Dla większości przypadków miną miesiące zanim whiskery zaczną stanowić zagrożenie dla niezawodności produktu. W związku z tym ich wykrycie w czasie produkcji jest praktycznie nie możliwe. Potencjometr w układach Toyoty, moduły satelity, układ kontroli z elektrowni atomowej, wszystkie były poddawane wymagającym testom i weryfikacjom, a mimo to zawiodły. Obecne środki kontroli nie są wstanie nas uchronić, gdyż nie rozumiemy przyczyn, a wzbogacenie o ołów jest sprzeczne z polityką środowiskową Unii Europejskiej Co robić?

© NASA Złącze D-SUB © NASA „Wąsy cynowe” na kondensatorze

Na wstępie podaliśmy, że 11% awarii ma swoje źródła właśnie w whiskerach, jednak naukowcy podkreślają, że jest to czubek góry lodowej. Wielu z badaczy obawia się, że większość awarii bez widocznych przyczyn może mieć właśnie takie źródło. Mikroskopijne elementy nie wytrzymają natężenia i podczas naruszenia minimalnego odstępu elektrycznego whisker po prostu wyparuje, nie pozostawiając żadnych wskazówek na temat źródła awarii. Tak naprawdę nikt nie wie jak wielka jest skala tego zjawiska. Na dzień dzisiejszy Unia Europejska pozostaje głucha na wezwania badaczy i przedstawicieli przemysłu w sprawie dyrektywy ROHS. Przypominamy, że od 2014 roku obejmie sprzęt medyczny (z wyłączeniem defibrylatorów do 2021 roku), a od 2016 roku przemysł samochodowy. Nie pozostaje nam nic innego jak oczekiwanie na opracowanie nowych stopów i pokryć wyprowadzeń elementów o podobnych właściwościach jak Sn/Pb lub eliminacja pokryć cynowych z procesu produkcyjnego i ścisła kontrola dostawców. Macie własne doświadczenia z tym problemem? Czytaliscie coś ciekawego? Napiszcie o tym w komentarzach lub skontaktujcie sie z nami!