W serwerowniach, szafach telekomunikacyjnych i urządzeniach pomiarowych zdarzają się awarie, których źródła nie wskazuje żadna diagnostyka. Dopiero analiza pod mikroskopem ujawnia przyczynę – cienkie, przewodzące włókna wyrastające z powierzchni cyny. To wąsy cynowe – mikroskopijne struktury, które mogą pojawić się samoczynnie na metalowych elementach i wywołać zwarcie w układach elektronicznych. Mimo że problem znany jest od ponad 80 lat, nadal występuje w nowoczesnych systemach, szczególnie tam, gdzie stosuje się powłoki wykonane z czystej cyny.
fot. NASA
Czym są wąsy cynowe (zinc whiskers)?
Z technicznego punktu widzenia cynowe wąsy to cienkie, włosowate struktury, które pojawiają się na powierzchni cyny. Osiągają długość nawet 10 milimetrów. Powstają samoczynnie, bez udziału człowieka i bez wpływu zewnętrznych czynników chemicznych. Ich występowanie odnotowano zarówno w normalnych warunkach temperaturowych, jak i przy wyższych wartościach, typowych dla urządzeń elektronicznych pracujących pod obciążeniem.
Chociaż obecność tych struktur została opisana już w latach 40. XX wieku, nadal nie zostały całkowicie rozpoznane mechanizmy ich powstawania. Pewne jest, że pojawiają się wszędzie tam, gdzie użyto stalowych elementów pokrytych powłoką cynową. Ich obecność bywa niezauważalna aż do momentu, gdy stanowią spory problem – najczęściej w postaci nieoczekiwanych usterek urządzeń.
Podziałka linijki 0.25mm – fot. Steve Smith
Dlaczego wąsy cynowe są groźne?
Niepozorne przewodzące struktury krystaliczne, jakimi są wąsy cynowe, mogą być przyczyną zwarcia w układach elektronicznych. W zależności od ich średnicy oraz długości, przez te cienkie formacje potrafi przepłynąć prąd o natężeniu wystarczającym do uszkodzenia elementów sąsiadujących, czasem nawet prowadząc do całkowitego zniszczenia komponentu.
Użytkownicy obserwowali chwilowe przerwy w działaniu urządzeń, których powodem złej pracy okazały się właśnie włosowate struktury wyrastające z powierzchni cyny. Skala zagrożenia okazała się tak poważna, że tematami tymi zajmuje się m.in. NASA, dokumentując awarie w systemach pokładowych i urządzeniach testowych. Szczególne ryzyko dotyczy miejsc, gdzie elektronika musi działać bez przerw – takich jak centra danych czy infrastruktura krytyczna. Tam zalecane jest całkowite unikanie podzespołów pokrytych warstwą czystej cyny.
Jak powstają cynowe wąsy (zinc whiskers)?
Obecnie główną przyczyną uważaną za odpowiedzialną za powstawanie tych mikrowłókien są naprężenia wewnętrzne pojawiające się w powłoce metalowej. W sytuacji, gdy napięcia mechaniczne osiągną poziom krytyczny, materiał może ulec lokalnemu przekształceniu – i wtedy powstają wąsy cynowe. Ten mechanizm nie jest bezpośrednio związany z temperaturą ani wilgotnością, dlatego trudniej go kontrolować i przewidywać.
Źródła naprężeń mogą być różnorodne. Jednym z nich jest proces nanoszenia powłoki – sposób, w jaki pokrywa się metal bazowy (na przykład miedź) warstwą cyny. Niekiedy dochodzi do dyfuzji materiałów, co prowadzi do powstawania związków międzymetalicznych, które generują dodatkowe naprężenia. Innym źródłem są uszkodzenia mechaniczne – mikroskopijne pęknięcia czy zarysowania powstające podczas obróbki powierzchni. Nawet różnice we współczynnikach rozszerzalności cieplnej metalu i jego pokrycia mogą być czynnikiem prowadzącym do wzrostu wąsów cynowych.
Jak unikać wąsów cynowych?
Całkowite wyeliminowanie tego zjawiska bywa problematyczne, ale możliwe jest ograniczenie ryzyka. Pierwszym krokiem jest rezygnacja z używania czystej cyny – to ona jest najbardziej podatna na tworzenie się wąsów. Zamiast niej często stosuje się stop cyny z ołowiem, pod warunkiem że zawartość ołowiu wynosi co najmniej 3%. Nawet tego rodzaju powłoki mogą tworzyć wąsy cynowe, ale badania pokazują, że są one w takim wypadku znacznie krótsze i mniej niebezpieczne.
Od czasu wprowadzenia dyrektywy RoHS użycie stopu zawierającego ołów zostało ograniczone. Obecnie dozwolone jest wyłącznie w wybranych zastosowaniach, co zmusza branżę do poszukiwania nowych metod. Jednym z rozwiązań jest wprowadzenie warstwy pośredniej – np. niklu – pomiędzy bazowym metalem a powłoką cynową. Taka dodatkowa warstwa redukuje naprężenia wewnętrzne. Alternatywą bywa także srebro, pełniące podobną funkcję.
W ostatnich latach testowano również zastosowanie cyny matowej, charakteryzującej się większymi cząstkami oraz niższym udziałem węgla. Te różnice w strukturze mikroskopowej skutkują rzadszym pojawianiem się wąsów. Choć rozwiązania te nie eliminują problemu całkowicie, znacząco ograniczają jego wpływ na niezawodność systemów elektronicznych.