Whisker (metalurgie) - Whisker (metallurgy)
Whiskering kovů je jev, ke kterému dochází v elektrických zařízeních, když kovy v průběhu času vytvářejí dlouhé projekce podobné whiskeru . Cín vousy byly zaznamenány a zdokumentovány v elektronky éry elektroniky na počátku 20. století, v zařízení, které použijí čisté nebo téměř čisté, cín pájka při jejich výrobě. Bylo zjištěno, že mezi kovovými pájecími podložkami rostly malé kovové chloupky nebo úponky, které způsobovaly zkraty . Kovové vousy se tvoří za přítomnosti tlakového napětí. Byly zdokumentovány vousy zinek , kadmium a dokonce olovo . Ke zmírnění problému se používá mnoho technik, včetně změn v procesu žíhání (ohřev a chlazení), přidání prvků, jako je měď a nikl, a zahrnutí konformních povlaků . Tradičně bylo přidáno olovo ke zpomalení růstu vousů u pájek na bázi cínu.
V návaznosti na směrnici o omezení nebezpečných látek (RoHS) zakázala Evropská unie od roku 2006 používání olova ve většině výrobků spotřební elektroniky kvůli zdravotním problémům spojeným s olovem a problému „high-tech trash“, což vedlo k opětovnému zaměření na problém tvorby vousů u bezolovnatých pájek .
Mechanismus
Kovový whiskering je krystalický metalurgický jev zahrnující spontánní růst drobných vláknitých chloupků z kovového povrchu. Účinek je primárně patrný na elementárních kovech, ale vyskytuje se také u slitin .
Mechanismus růstu kovových vousů není dobře znám , ale zdá se, že je podporován mechanickým tlakovým namáháním, včetně:
- zbytková napětí způsobená galvanickým pokovováním ,
- mechanicky vyvolaná napětí,
- napětí vyvolaná difúzí různých kovů,
- tepelně vyvolaná napětí a
- gradienty přetvoření v materiálech.
Kovové vousy se liší od kovových dendritů v několika ohledech; dendrity jsou ve tvaru kapradiny a rostou po povrchu kovu, zatímco kovové vousy jsou podobné vlasům a vyčnívají kolmo k povrchu. Růst dendritů vyžaduje vlhkost schopnou rozpouštět kov na roztok kovových iontů, které se pak redistribuují elektromigrací za přítomnosti elektromagnetického pole . I když přesný mechanismus tvorby whiskeru zůstává neznámý, je známo, že tvorba whiskeru nevyžaduje ani rozpuštění kovu, ani přítomnost elektromagnetického pole.
Účinky
Vousy mohou způsobit zkrat a elektrický oblouk v elektrických zařízeních. Tento jev byl objeven telefonními společnostmi na konci 40. let a později bylo zjištěno, že přidání olova k cínové pájce poskytlo zmírnění. Evropská směrnice o omezení nebezpečných látek (RoHS), která vstoupila v platnost 1. července 2006, omezila použití olova v různých typech elektronických a elektrických zařízení. To vedlo k použití bezolovnatých slitin se zaměřením na prevenci tvorby vousů, viz § Zmírňování a eliminace . Jiní se zaměřili na vývoj povlaků s bariérou proti kyslíku, aby se zabránilo tvorbě vousů.
Vzduchem přenášené zinkové vousy byly zodpovědné za zvýšení míry selhání systému v místnostech počítačových serverů . Zinkové vousy rostou z pozinkovaných (galvanicky pokovených ) kovových povrchů rychlostí až milimetr za rok s průměrem několika mikrometrů. Na zdech galvanicky zinkovaných podlahových dlaždic na vyvýšených podlahách se mohou vytvářet vousy, které působí při namáhání při chůzi; tyto vousy se potom mohou při přetržení obkladů, obvykle během údržby, dostat vzduchem do prostoru místnosti . Vousy mohou být dostatečně malé, aby procházely vzduchovými filtry, a mohou se usazovat uvnitř zařízení, což vede ke zkratům a selhání systému.
Cínové vousy nemusí být ve vzduchu, aby poškodily vybavení, protože obvykle již rostou v prostředí, kde mohou vytvářet zkraty. Na frekvencích nad 6 GHz nebo v rychlých digitálních obvodech mohou plechové vousy fungovat jako miniaturní antény , ovlivňovat impedanci obvodu a způsobovat odrazy. V počítačových diskových jednotkách se mohou odlomit a způsobit zhroucení hlavy nebo selhání ložiska. Cínové vousy často způsobují poruchy relé a byly nalezeny při zkoumání selhání relé v jaderných zařízeních. Kardiostimulátory byly odvolány kvůli plechovým vousům. Výzkum také identifikoval konkrétní režim selhání pro cínové vousy ve vakuu (například ve vesmíru), kde ve vysoce výkonných součástech je zkratovaný cínový vousek ionizován na plazmu, která je schopna vést stovky ampér proudu, což masivně zvyšuje škodlivý účinek zkratu. Možné zvýšení používání čistého cínu v elektronice v důsledku směrnice RoHS přimělo JEDEC a IPC k vydání standardu pro testování akceptace whiskerů na cín a pokynů k postupům zmírňování, které mají výrobcům pomoci snížit riziko vzniku whiskerů na cín v bezolovnatých výrobcích.
Stříbrné vousy se často objevují ve spojení s vrstvou sulfidu stříbrného, která se tvoří na povrchu stříbrných elektrických kontaktů pracujících v atmosféře bohaté na sirovodík a vysokou vlhkost . Taková atmosféra může existovat v čistírnách odpadních vod a papírnách .
Na pozlacených površích byly pozorovány vousy o délce větší než 20 um a byly zaznamenány ve vnitřním memorandu NASA z roku 2003.
Účinky whiskeringu kovů byly zaznamenány v programu History Channel 19 Engineering Disasters.
Zmírnění a eliminace
K omezení nebo eliminaci růstu vousů se při probíhajícím výzkumu v této oblasti používá několik přístupů.
Konformní nátěry
Konformní složené povlaky zabraňují tomu, aby vousy pronikly bariérou a dosáhly blízkého zakončení a vytvořily zkrat. Patří sem zábrany vyrobené z keramické nebo polymerní směsi. Polymerní sloučeniny mají tendenci odklonit vous pryč, zatímco keramické chemikálie zabraňují propíchnutí povlaku.
Změna chemie pokovování
Ukázalo se, že zakončovací úpravy niklu, zlata nebo palladia eliminují whiskering v kontrolovaných studiích.
Příklady a incidenty s cínovým vousem
Galaxy IV
Galaxy IV byl telekomunikační satelit, který byl deaktivován a ztracen kvůli zkratům způsobeným cínovými vousy v roce 1998. Zpočátku se předpokládalo, že k selhání přispělo vesmírné počasí , ale později se zjistilo, že došlo k nesprávnému použití konformního povlaku, což umožnilo vytvoření vousů v pokovení čistým cínem, aby našli cestu chybějící oblastí potahování, což způsobilo poruchu hlavního řídicího počítače. Výrobce, Hughes, přešel na niklování spíše než na cín, aby snížil riziko růstu vousů. Kompromisem bylo zvýšení hmotnosti a přidání 50 až 100 kilogramů (110 až 220 lb) na užitečné zatížení.
Millstone Nuclear Power Plant
17. dubna 2005 byla jaderná elektrárna Millstone v Connecticutu odstavena z důvodu „falešného poplachu“, který indikoval nebezpečný pokles tlaku v parním systému reaktoru, když byl tlak páry skutečně nominální. Falešný poplach byl způsoben cínovým vousem, který zkratoval logickou desku, která byla zodpovědná za monitorování tlakových vedení páry v elektrárně.
Senzory polohy akcelerátoru Toyota falešně pozitivní
V září 2011 tři vyšetřovatelé NASA tvrdili, že plechové vousy, které identifikovali na senzorech polohy akcelerátoru u vzorků modelů Toyota Camry, by mohly přispět k haváriím „zaseknutého akcelerátoru“, které postihly některé modely Toyota v letech 2005–2010. To bylo v rozporu s dřívějším 10měsíčním společným vyšetřováním Národního úřadu pro bezpečnost silničního provozu (NHTSA) a velké skupiny dalších vědců NASA, kteří nezjistili žádné elektronické vady.
V roce 2012 však NHTSA tvrdila: „Nevěříme, že plechové vousy jsou věrohodným vysvětlením těchto incidentů ... [pravděpodobnou příčinou byla] nesprávná aplikace pedálu .“
Toyota rovněž tvrdí, že plechové vousy nebyly příčinou žádných problémů s akcelerátorem: „Podle slov ministra dopravy USA Raya LaHooda:„ Verdikt je v platnosti. Neexistuje žádný elektronický důvod pro neúmyslné vysokorychlostní zrychlení v Toyotách. . " " Podle Toyota tiskové zprávě, ‚no data naznačují, že cínu vousy jsou náchylnější k objevit ve vozech Toyota, než jakýkoliv jiný vůz na trhu.‘ Toyota rovněž uvádí, že „jejich systémy jsou navrženy tak, aby snižovaly riziko, že se na prvním místě vytvoří plechové vousy.“