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晶须

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从表面安装电阻器件长出的银须。

晶须指一种纤维状的直径小于数微米到几十微米、长度达数厘米的单晶体。它可在自然界生成,也可由人工制成,强度极高,是制备复合材料具有潜力的增强体材料。60年代初就已开发出近百种晶须实验品,1975年Hulco公司从稻草制备出β-SiC晶须。到80年代初,美、日实现了大规模生产SiC晶须,它是目前最重要的晶须材料。现在已能从100种以上的材料制备出相应的晶须,其中包括金属、氧化物、卤化物、氮化物、石墨及有机化合物。

根据《有害物质限制指令》(RoHS指令)要求,从2006年起,欧盟禁止在大多数消费电子产品中使用铅,这主要是基于对与铅相关的健康问题和“高科技垃圾”问题的考虑,这导致了人们重新关注起无铅焊料中晶须生成的问题。

1 机理编辑

从应用于焊接电子元件的锡的显微图中可以看出其晶须结构。

金属晶须生长是一种晶体冶金现象,是指金属表面自发生长出细小丝状纤维的过程。这种效应主要出现在金属单质上,但在合金上也会发生。

金属晶须生长的机理尚不清楚,但似乎是由机械压缩应力引起的,这些应力包括:

  • 电镀导致的残余应力
  • 机械应力
  • 不同种类金属扩散引起的应力
  • 热应力,以及
  • 材料中的应变梯度[1]

金属晶须在几个方面不同于金属枝晶;枝晶呈蕨状,生长在金属表面,而金属晶须呈毛发状,垂直于表面伸长。枝晶生长需要能够将金属溶解到含金属离子的水溶液,然后在电磁场的存在下,金属离子通过电迁移重新分布。虽然晶须形成的精确机理尚不明确,但已经知道晶须的形成既不需要金属的溶解也不需要电磁场的存在。

2 影响编辑

镀锌钢板上几毫米长的锌须。

晶须会导致电气设备短路和电弧放电。在20世纪40年代后期,电话公司发现了这种现象,后来人们发现在锡焊料中添加铅可以减缓晶须的生长。[2] 2006年7月1日生效的欧盟《限制有害物质指令》(RoHS指令)限定了铅在各种电子电气设备中的使用。这推动了无铅合金的使用,其重点是防止晶须的形成。其余则专注于开发阻氧涂料来防止晶须的形成。[3]

空气锌须是计算机服务器机房系统故障率增加的原因。[4] 在镀锌(电镀)金属表面,锌须以每年一毫米的速度生长,直径为几微米。由于人们行走在架高的地板上时施加压力,晶须可能会在架高的镀锌板上的下表面形成。通常在维护期间,当瓷砖受到外界作用时,这些晶须会在架高的地板中漂浮。晶须小到足以通过空气过滤器,就会在设备内部沉积,导致设备短路和系统故障。

设备的损坏不一定与空气中的锌须有关,因为它们通常已经生长在会产生短路的环境中。在6 GHz以上的频率或在快速数字电路中,锡须可以像微型天线一样发挥作用,影响电路阻抗并引起反射。在计算机磁盘驱动器中,它们会发生断裂,导致磁盘崩溃或轴承故障。锡须经常导致继电器出现故障,在检修核电厂故障继电器过程中也经常见到。[5]起搏器因锡须产生的故障而被召回。[6] 研究还发现了锡须在真空中(例如在太空)的一种特定失效模式,在这种模式下,在高功率元件中,造成短路的锡须发生电离,形成能够传导数百安培电流的等离子体,从而大大增强了短路的破坏效应。[7]由于RoHS指令的发布,电子产品中纯锡的使用量可能会增加,从而促使固态技术协会(JEDEC)和印制电路板协会(IPC)发布锡晶须验收测试标准和减轻措施指南,旨在帮助制造商降低无铅产品中锡晶须的风险。[8]

银须通常与硫化银层一起出现。硫化银层在富含硫化氢和高湿度的空气中的银电触点操作界面形成。这种空气可能存在于污水处理和造纸厂。

人们在镀金表面观察到长度超过20微米的晶须,这记录在美国宇航局2003年的内部备忘录中。[9]

历史频道的“工程灾难19”节目中记录了金属晶须的影响。

3 缓解和消除方法编辑

随着该研究领域的不断发展,有几种方法可被用于抑制或消除晶须的生长。

保形涂层
保形复合涂层可以防止晶须穿透阻挡层并到达附近的终端,从而防止形成短路。这些保形涂层由陶瓷或聚合化合物制成。聚合化合物倾向于使晶须偏转,而陶瓷化学物质则可防止涂层穿孔。    [10]

调变化学镀
对比试验证实通过镍、金或钯的终饰能消除晶须现象。    [10]    [11]

4 锡须相关的示例和事故编辑

4.1 银河四号

银河四号(Galaxy IV)是一颗通信卫星,在1998年该卫星因锡须造成的短路而损坏和丢失。起初人们认为是太空天气造成了故障,但后来发现是因为保形涂层使用不当,使得纯镀锡层中形成的晶须能够穿过缺失的涂层区域,从而导致主控计算机出现故障。制造商Hughes已经转向镀镍,而不是镀锡,以降低晶须生长的风险。权衡的结果是重量增加,每个有效载荷从50增加到100公斤(110到220磅)。[12]

4.2 米尔斯通核电站

2005年4月17日,康涅狄格Millstone核电站因出现“错误警报”而被关闭,警报指示反应堆蒸汽系统出现压力下降不安全,而实际上并没有。错误警报是由锡须使得逻辑板短路引起的,该逻辑板负责监测发电厂蒸汽压力线路。[13]

4.3 丰田汽车加速器位置传感器报错

2011年9月,美国宇航局的三名调查人员声称,他们在丰田凯美瑞样车模型的加速踏板位置传感器上发现的锡须[14] 可能是导致2005-2010年期间受影响的某些丰田车型的“卡住的加速器”的碰撞的原因。[15] 该结果与美国国家公路交通安全局(NHTSA)和其他一大批美国宇航局研究人员进行的10个月联合调查相矛盾,该调查没有发现电子器件的缺陷。[16]

然而,2012年NHTSA坚称:“我们不认为锡须是这些事故的合理解释,可能的原因是踏板误用。”[17]

丰田汽车公司还坚称锡须不是导致油门卡死的原因:“用美国运输部长雷·拉胡德的话来说,‘判决结果出来了。在丰田公司历史上,其汽车意外高速加速原因与电子器件(金属须)无关’。”根据丰田公司发布的新闻稿,“没有数据表明,锡须在丰田汽车上比市场上任何其他汽车更容易出现。”丰田汽车公司还表示,“他们所设计的系统首先旨在降低锡须形成的风险。” [18]

参考文献

  • [1]

    ^"Evaluation of local strain evolution from metallic whisker formation". Scripta Materialia. 65: 388–391. doi:10.1016/j.scriptamat.2011.05.007..

  • [2]

    ^George T. Galyon. "A History of Tin Whisker Theory: 1946 to 2004" (PDF). iNEMI. Retrieved 21 December 2012..

  • [3]

    ^"Whisker Effect". INELCO. Retrieved 5 January 2011..

  • [4]

    ^"Zinc whisker induced failures in electronic systems". ERA Technology. Archived from the original on 16 January 2013. Retrieved 21 December 2012..

  • [5]

    ^"Event Notification Report for July 12, 1999". U.S. Nuclear Regulatory Commission. Retrieved 21 December 2012..

  • [6]

    ^"ITG SUBJECT: TIN WHISKERS – PROBLEMS, CAUSES, AND SOLUTIONS". Food and Drug Administration. 1986-03-14. Archived from the original on October 18, 2007. Retrieved 21 December 2012..

  • [7]

    ^Jay Brusse; Henning Leidecker; Lyudmyla Panashchenko (December 5, 2007). "Metal Whiskers: Failure Modes and Mitigation Strategies" (PDF). NASA. Retrieved 21 December 2012..

  • [8]

    ^"JEDEC and IPC Release Tin Whisker Acceptance Testing Standard and Mitigation Practices Guideline". JEDEC.org. 4 May 2006. Retrieved 5 January 2011..

  • [9]

    ^Alexander Teverovsky (April 2003). "INTRODUCING A NEW MEMBER TO THE FAMILY: GOLD WHISKERS" (PDF). NASA. Retrieved 21 December 2012..

  • [10]

    ^John Burke (September 2010). "Tin Whiskers Eliminated"..

  • [11]

    ^Keun-Soo Kim, Suk-Sik Kim, Seong-Jun Kim, Katusaki Suganuma, ISIR, Osaka University, Masanobu Tsujimoto, Isamu Yanad, C. Uyemura & Co., Ltd., Prevention of Sn whisker formation by surface treatment of Sn plating Part II, TMS Annual Meeting, 2008.

  • [12]

    ^Bruce Felps. "'Whiskers' Caused Satellite Failure: Galaxy IV Outage Blamed On Interstellar Phenomenon". Archived from the original on March 3, 2009. Retrieved 25 October 2013..

  • [13]

    ^"Reactor Shutdown: Dominion Learns Big Lesson From A Tiny 'tin Whisker'" (PDF)..

  • [14]

    ^"Treatise" (PDF). nepp.nasa.gov..

  • [15]

    ^Bunkley, Nick (27 March 2018). "Toyota Issues a 2nd Recall Over Accelerators" – via NYTimes.com..

  • [16]

    ^"NHTSA-NASA Study of Unintended Acceleration in Toyota Vehicles". NHTSA. Retrieved 14 November 2014..

  • [17]

    ^"NHTSA rejects 'tin whiskers' theory for Toyota's unintended acceleration incidents". Automotive News. Retrieved 14 November 2014..

  • [18]

    ^"'Tin Whiskers' and Other Discredited Unintended Acceleration Theories – Toyota"..

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