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Crecimiento de whiskers sobre capa de estaño y su solución

whiskersLa entrada trata de explicar los motivos físicos que generan la aparición de whiskers sobre superficies de estaño que bañan soportes de cobre o de zinz y los métodos que facilitan la prevención de su aparición. Los whiskers son filamentos de estaño que aparecen debido a las diferencias en la tensión superficial  en la suferficie unión de ambos metales cuando se produce un baño electroquímico. En 2006, el autor, junto a su equipo de desarrollo de I+D, se encontraron con este fenómeno mientras estaban renovando un producto del catálogo de ALCAD. El equipo de I+D, a la vista de este fenómeno, que con el tiempo estropeaba la funcionalidad del producto, sobre todo cuando llevaba almacenado más de tres meses, se propuso estudiar el fenómeno, comprender las causas que lo producen y buscar posibles soluciones para su prevención en futuros desarrollos.

INTRODUCCIÓN

No hay nada mejor que la aparición de fenómenos no controlados para que se produzca Investigación en una empresa. La mayoría de las veces, las empresas privadas usan más de la D que de la I, en el desarrollo de sus productos. Sin embargo, hay ocasiones en las que un desarrollo presenta inconvenientes y fenómenos que no aparecen en el “know how” de la empresa. Estos fenómenos permiten a los equipos de I+D adquirir nuevos conocimientos y aplicarlos en el futuro.

En el año 2006 mi equipo de I+D en ALCAD se encontró un fenómeno que afectaba al correcto funcionamiento de un producto en desarrollo. Un fenómeno totalmente desconocido para nosotros, pero que ya lo habían sufrido otros. Un fenómeno conocido como whiskers. La aparición de este fenómeno producía un defectivo en el producto que estábamos desarrollando. Siendo este producto uno de los más importantes de nuestro catálogo, nos obligó a plantearnos su estudio con mayor profundidad, a fin de buscar una solución, ya que había almacenado material que podría presentar un defectivo de dimensiones considerables. Así que nos pusimos manos a la obra y todo el equipo de I+D implicado nos dispusimos a acabar con este problema.

En inglés, whiskers hace mención a los pelos del bigote de los gatos. En ingeniería mecánica, los whiskers son filamentos metálicos que crecen sobre un material que ha sido bañado con estaño de forma electroquímica. El baño electroquímico de los metales es habitual en la industria, ya que sirve para obtener acabados finos, facilitar la soldabilidad o proteger materiales más propensos a la corrosión. En nuestro caso, el baño electroquímico de estaño se hacía sobre zamak (aleación de zinz, magnesio, aluminio y cobre, muy utilizada en los productos industriales por su facilidad para la inyección en molde), a fin de facilitar la soldabilidad del zamak, ya que éste no es soldable, y proporcionar un acabado al producto. Por tanto, conocer el fenómeno y sus posibles soluciones era importante para nuestro equipo de I+D.

WHISKERS DE ESTAÑO SOBRE ZAMAK

El fenómeno aparecía en los chasis de zamak que debían presentar un acabado de baño de estaño para poder realizar soldaduras en el soporte, pues el zamak no permite soldadura convencional.

El problema surgió cuando, después de un tiempo almacenado el material, el producto, que consistía en un amplificador de banda estrecha, con un filtro de cavidad ajustado a un canal de 8MHz, presentaba desviaciones en su respuesta eléctrica. Esto obligaba a un reprocesado del filtro en Producción. En versiones anteriores del mismo producto, la una característica de ajuste en Producción obligaba a sendos ajustes en el tiempo: el primero, realizado durante el ensamblado del producto y el segundo, a las 24 horas del primer ajuste. Una vez realizados ambos ajustes, el filtro de cavidad permanecía estable, aunque se recomendaba un tercer ajuste si el producto quedaba almacenado más de 3 meses (rotación del almacén).

Sin embargo, durante el desarrollo de este producto, el equipo de I+D descubrió que el filtro no permanecía estable y que, además, el deterioro en la respuesta crecía con el tiempo. Lo que implicaba que, a pesar de hacer un tercer ajuste, no se podía asegurar que el filtro se mantuviese estable, lo que podía llevar a un proceso sin fin.

Lo que al principio parecía un problema de componentes electrónicos, con un lote defectivo de condensadores, se convirtió en un fenómeno nuevo para nuestro equipo: habíamos generado, sin quererlo, whiskers sobre la superficie de estaño.

Crecimiento de los filamentos de estaño

Crecimiento de los filamentos de estaño

Como he dicho anteriormente, los whiskers son cristales tipo filamento que crecen sobre la superficie de estaño que baña el zamak. Son cristales tan finos que son quebradizos cuando se pasa la mano sobre la superficie, y funden cuando les atraviesa una corriente de cortocircuito, que no tiene por qué ser muy elevada. En el caso del filtro se producía una disminución volumétrica de la cavidad, y esto  modificaba la frecuencia de resonancia del filtro, desplazando la respuesta a frecuencias más altas y desadaptando el filtro.

Al estudiar el fenómeno, descubrimos que se conocía desde los años 40 y que incluso la NASA estudió el fenómeno con gran profundidad, por lo que parte del camino estaba hecho: comprobamos que tenía que ver con el tipo de superficie de contacto entre ambos materiales y el grosor aplicado al baño de estaño. También intervenía la tensión superficial de ambos materiales y la temperatura de funcionamiento. En resumen, el crecimiento de los whiskers se regía bajo las expresiones formuladas por la Dr. Irina Boguslavsky y su colaborador Peter Bush:

whiskers

Ecuaciones que describen el crecimiento de los whiskers.

Según las observaciones experimentales realizadas, ambas expresiones seguían con bastante precisión el crecimiento de los whiskers observados en las capas de estaño. En las expresiones, σ representa la fuerza de stress, relacionada con la tensión superficial, LW está relacionado con grosor de la unión y n es un valor que depende de la densidad en el desplazamiento y de la temperatura T. Los términos k1, k2 y k3 son constantes que dependen de las propiedades de los materiales utilizados y RW es el radio del filamento. Los términos h1 y h2 se refieren al crecimiento del filamento cuando ya se ha producido éste en la zona de unión (h1) y en el momento en el que se produce (h2).

Crecimiento del filamento de estaño a los 3 y a los 6 meses

Crecimiento del filamento de estaño a los 3 y a los 6 meses

Nótese de estas expresiones que a menor LW, el término de la expresión de h2 crece ya que es una función exponencial en términos de n>>1. Por tanto, el grosor del baño es una de las variables que hay que controlar. En nuestro caso, el grosor del baño había sido disminuido de 20μm a 6-8μm debido a que el producto en desarrollo incorporaba conector roscado de tipo “F”, en lugar de el antiguo conector DIN de 9 ½ mm. Como los conectores se obtenían en el proceso de moldeo y posterior roscado, que se realizaban antes de proceder al baño de estaño, un baño de 20μm no permitía el mantemiento de la rosca del conector.

El otro término, σ, está relacionado con las tensión superficial que se producía en la unión, y depende exclusivamente de los materiales utilizados. Estudiando con el fabricante de los baños distintos grosores para el baño de estaño, comprobamos que las expresiones se ajustaban, ya que para grosores mayores el crecimiento era mucho mayor que para menores, pero que siempre había tendencia a que saliese, aunque en menor medida en baños de 20μm. Una vez realizado el baño, las fuerzas de stress generadas por la tensión superficial del zamak “empujaban” a los átomos de estaño hacia el exterior, con el fin de mantener la posición de equilibrio. A ellas se oponía la tensión superficial del estaño. Pero con menor grosor del baño, la fuerza generada en la superficie de contacto era superior a la de la superficie del estaño, y al tener menos grosor, las fuerzas internas que se oponían a la fuerza de la superficie eran más débiles, permitiendo el crecimiento al exterior del filamento.

POSIBLES SOLUCIONES AL CRECIMIENTO DE LOS FILAMENTOS

Una de las soluciones que aportaron desde Lucent Technologies era la realización de un baño intermedio de níquel, depositado entre la aleación de zinz y el baño de estaño.

Baño intermedio de Ni químico entre el Sn y la aleación de Zn

Baño intermedio de Ni químico entre el Sn y la aleación de Zn

El equipo de materiales de Lucent Tech., después de varios experimentos, encontró que el crecimiento de los whiskers se eliminaba notablemente, llegando a valores prácticamente nulos.

Crecimiento de ambos tipos de baño de estaño (brillante y con antimonio).

Crecimiento de ambos tipos de baño de estaño (brillante y satinado).

En las gráficas podemos ver que el crecimiento del estaño brillante sobre una superficie de cobre, que presenta similar comportamiento que el zamak, a los 2 meses crece rápidamente. Sin embargo, cuando se le aplica una capa intermedia de Ni, el crecimiento se queda en valor nulo. En el caso del estaño satinado, el crecimiento se produce a los 4 meses, y es levemente inferior. Aplicando Ni, el crecimiento se anula.

El grosor del baño de níquel podía ser de entre 1μm y 2μm, mientras que el grosor del estaño se podría mantener en torno a 8μm. De este modo, se evitaba el defectivo del roscado al mismo tiempo que se eliminaban los filamentos. Sin embargo, el proceso era bastante caro, por lo que esta opción quedó descartada.

Por tanto, nos encontrábamos frente a un problema: cómo vencer al fenómeno, que implicaba aumentar el grosor de la superficie que baña al zamak, pero que también provocaba que desapareciese el roscado del conector “F”. Una modificación del molde para dotar de más material al conector era costosa y conllevaba bastante tiempo de modificación al tener que realizar postizos en el mismo. Sin embargo era la idónea para corregir el proceso.

El problema se planteaba con el material almacenado y el material en proceso. El material almacenado ya no podía ser reprocesado puesto que estaba montado y ya no se podía bañar de nuevo. La solución intermedia fue eliminar los cristales de estaño que habían crecido mediante su limpieza con aire comprimido.

Sobre el material en proceso (piezas desmoldeadas sin bañar), se aplicó una solución temporal que consistía en la sustitución del baño de estaño por baño de plata. La plata es soldable y se puede aplicar en capas muy finas manteniendo las características, pero presenta el inconveniente de que su óxido proporciona un acabado sucio y con manchas, afectando a la estética del producto.

Al final, el estudio en profundidad del fenómeno hizo que la opción de incrementar el grosor del estaño se convirtiese estándar y eliminado el defectivo del roscado mediante el uso de una terraja que realizase el roscado sobre el material, hasta que se realizase la modificación del molde, modificando el postizo de los conectores roscados para que un baño de 10 a 20 micras no obturase las roscas.

CONCLUSIÓN

Los whiskers de estaño es un fenómeno poco entendido, se produce a nivel microscópico y parece que sólo ha sido estudiado por agencias y laboratorios de investigación nacionales, con fuertes presupuestos y dotados con medios adecuados para la observación del fenómeno.

En España se han encontrado pocos, o prácticamente ningún laboratorio, que estudiase este fenómeno en profundidad, que tiene su aparición preferentemente en la industria, por la manipulación de los materiales, por lo que casi todo el trabajo fue realizado por el equipo de investigación y desarrollo de la empresa, adquiriendo el conocimiento del medio suficiente para corregirlo y evitar que aparezca en un futuro.

Sin embargo, hay muchos artículos relacionados con el fenómeno, lo que nos permitió conocerle, analizar sus causas y sus posibles soluciones.

Referencias:

[1] H. Livingston, “GEB-0002: Reducing the Risk of Tin Whisker-Induced Failures in Electronic Equipment”; GEIA Engineering Bulletin, GEIA-GEB-0002, 2003

[2] B. D. Dunn, “Whisker formation on electronic materials”, Circuit World, vol. 2, no. 4, pp.32 -40 1976

[3] R. Diehl, “Significant characteristics of Tin and Tin-lead contact electrodeposits for electronic connectors”, Metal Finish, pp.37-42 1993

[4] D. Pinsky and E. Lambert, “Tin whisker risk mitigation for high-reliability systems integrators and designers”, Proc. 5th Int. Conf. Lead Free Electronic Components and Assemblies, 2004

[5] Chen Xu, Yun Zhang, C. Fan and J. Abys, “Understanding Whisker Phenomenon: Driving Force for Whisker Formation”, Proceedings of IPC/SMEMA Council APEX, 2002

[6] I. Boguslavsky and P. Bush, “Recrystallization Principles Applied to Whisker Growth in Tin”, Proceedings of IPC/SMEMA Council APEX, 2003

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