Whisker (krystalografie)

Mikroskopický pohled vykazující whiskery v cínu použitém pro pájení elektronických komponent.

Vytváření whiskerů je krystalografický metalurgický jev zahrnující spontánní růst tenkých „vlásků“ z povrchu kovu. Tento jev se zejména primárně vyskytuje na základních kovech, avšak vyskytuje se rovněž na slitinách. Mechanizmus, který souvisí s růstem kovových whiskerů, nebyl dostatečně vysvětlen. Předpokládá se, že souvisí s mechanickým tlakovým namáháním, včetně:

• zbytkového namáhání vyvolaného galvanickým nanášením,
• mechanicky indukovaných namáhání,
• namáhání indukovaných difuzí různých kovů,
• tepelně indukovaných namáhání a
• gradientů pnutí v materiálech.

Kovové whiskery se liší od kovových dendritů v několika aspektech; dendrity mají tvar „kapradí“, rostou po povrchu kovu, kdežto kovové whiskery připomínají „vlásky“ vyčnívající kolmo na povrch. Růst dendritů vyžaduje vlhkost umožňující rozpouštění kovů do roztoku kovových iontů, které jsou pak přerozděleny pomocí elektromigrace v přítomnosti elektromagnetického pole. Přesný mechanizmus vytváření whiskerů zůstává neznámý. Je však známo, že vytváření whiskerů nevyžaduje ani rozpouštění kovu ani přítomnost elektromagnetického pole.

Whiskery zinku o délce několika milimetrů na oceli s pokovením zinku

Whiskery mohou způsobovat zkraty a oblouky v elektrických zařízeních. Tento jev byl objeven telefonními společnostmi před rokem 1950 a později bylo prokázáno, že přidání olova do pájky výrazně zmírnilo tento problém. Evropská směrnice RoHS, s účinností od 1.7.2006, omezuje používání olova v různých typech elektronických a elektrických přístrojů. Toto vedlo k používání bezolovnatých slitin se zvýšeným zaměřením na prevenci vytváření whiskerů. Další sledovanou možností je prevence vytváření whiskerů pomocí vhodných povlaků.

Whiskery zinku ve vzduchu odpovídají za zvýšenou četnost poruch systému v místnostech s počítačovými servery. Whiskery zinku rostou z galvanicky nanášených kovových povrchů rychlostí až několika milimetrů za rok s průměrem několika mikrometrů. Whiskery se mohou vytvářet na podlahových dílech s galvanicky naneseným zinkem na zvýšených podlahách vyvolaných namáháním, které souvisí s chůzí po těchto dílech. Tyto whiskery se mohou potom uvolňovat do vzduchu v okolí podlahy, obvykle v průběhu údržby. Whiskery mohou být dostatečně malé, aby prošly vzduchovými filtry, mohou se usadit uvnitř přístrojů a vyvolávat zkraty a poruchy systémů. Whiskery cínu se neuvolňují do vzduchu a nevyvolávají tak poruchy přístrojů.

Whiskery cínu obvykle vyrůstají v prostředí, kde mohou snadno vytvářet zkraty. Při frekvencích nad 6 GHz nebo v rychlých digitálních obvodech mohou whiskery cínu vytvářet miniaturní antény, které ovlivňují impedanci obvodu a vyvolávají odrazy. V počítačových discích mohou whiskery způsobit poruchu hlavy nebo ložiska. Whiskery cínu často vyvolávají poruchy relé. Whiskery byly nalezeny při analýze poruch relé v zařízeních jaderných elektráren. Rovněž kardiostimulátory vykazovaly poruchy způsobené whiskery cínu. Výzkum rovněž identifikoval mechanizmus poruchy související s whiskery cínu ve vakuu (např. v kosmickém prostoru), kde zkrat ve výkonových součástkách související s whiskery cínu vytváří ionizované plazma, které je schopno vést proud stovek ampér, což velmi zvyšuje poškození související se zkratem. Zvýšené používání čistého cínu v elektronice, které souvisí se směrnicí RoHS, vedlo organizace JEDEC, IPC a IEC k vydání norem na přejímací zkoušky na whiskery cínu a návodů na způsoby potlačování tohoto problému, na pomoc výrobcům pro snížení rizika souvisejícího s whiskery cínu v bezolovnatých výrobcích.

Whiskery stříbra se často vyskytují ve spojení s vrstvou sulfidu stříbra, který se tvoří na povrchu stříbrných elektrických kontaktů, které pracují v atmosféře bohaté na sulfid vodíku při vysoké vlhkosti. Takové atmosféry mohou existovat při práci s odpadními vodami a v papírenských mlýnech. Whiskery zlata o délce větší než 20 µm byly pozorovány na površích s povlakem zlata, což bylo ohlášeno v interním memorandu NASA v roce 2003. Důsledky vytváření kovových whiskerů byly citovány na programu Engineering Disasters 19 na kanálu History Channel.

Pro potlačení nebo vyloučení růstu whiskerů bylo použito několik výzkumných přístupů.