Metaalhaartjes

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Zilverhaartjes op SMD weerstanden

Metaalhaartjes (ook wel 'whiskers', Engels voor snorharen) zijn zeer kleine haarvormige uitgroeiingen van bepaalde metalen. Metaalhaartjes zijn monokristallen, met een doorsnede van enige micrometers en een lengte van enige honderden micrometers.

Het is een bekend verschijnsel bij soldeerverbindingen. Hierbij ontstaan er tinhaartjes, die schade kunnen aanrichten in de elektrische apparaten, waar het soldeertin toegepast is.


Vorming van de metaalhaartjes[bewerken]

Diverse mm lange zinkhaartjes op verzinkt gecoat staal

-Omdat metaalhaartjes monokristallen zijn, zijn zij zeer homogeen, vrijwel vrij van discontinuiteiten. Metaalhaartjes hebben een hogere materiaalsterkte dan polykristalijne stoffen.

-Het groeien van metaalhaartjes kan tot 1 milimeter per jaar bedragen. Het is een dynamisch proces met meerdere invloeden.

-Bij de vorming van metaalhaartjes gaat het om transport van atomen. De vorming van metaalhaartjes treedt vooral op bij gemiddelde temperaturen. Bij te lage temperaturen is de mobiliteit van de atomen te klein, en treedt het verschijnsel niet op. Bij hoge temperaturen is de materiaalspanning in het metaal kleiner. Voor het tin in soldeertin ligt het kwetsbare temperatuurgebied tussen kamertemperatuur (20°C) en 75°C.

-Er zijn metalen waarbij metaalhaartjes zich makkelijker vormen dan bij andere metalen. Het gaat met name om antimoon, cadmium, indium, zink en tin.

-Restspanning in het materiaal bij galvanisch opgebrachte lagen bij metalen

-Mechanische materiaalspanningen; het gaat hierbij ook om mechanische krachten op klem- en schroefverbindingen van de componenten.

Metaalhaartjes bij soldeertin[bewerken]

Bij soldeertin treedt de vorming van metaalhaartjes vooral op bij een hoog tingehalte, boven de 70 procent. Het kan dus ook op printplaten optreden, waar het meteen al in de directe omgeving schade kan aanrichten.

Het fenomeen is ontdekt door telefoonmaatschappijen aan het eind van de veertiger jaren [1] en het leidde tot het toevoegen van lood aan soldeertin, wat de problematiek verminderde. Tegenwoordig mag in de meeste producten voor consumenten geen lood meer gebruikt worden vanwege de European Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS), die op 1 juli 2006 van kracht geworden is.

Problemen[bewerken]

Met name op printplaten kunnen er problemen ontstaan, door de fysieke nabijheid van soldeerverbindingen en de geleidende koperbanen op de printplaat. Maar metaalhaartjes kunnen ook op andere plaatsen ontstaan. Ze kunnen door de lucht in een elektronisch apparaat geblazen kunnen worden, waarna er schade kan ontstaan, bijvoorbeeld bij computers (computer data centers). In de harddisk van computers kunnen ze head crashes en lagerschade veroorzaken wanneer ze afgebroken zijn. Tinhaartjes veroorzaken ook vaak problemen in relaisschakelingen. Pacemakers zijn teruggeroepen door de fabriek wegens tinhaartjes. Bij frequenties boven 6 GHz in snelle digitale schakelingen, kunnen tinhaartjes zich gedragen als miniatuur antennes, die de impedantie van de schakeling beinvloeden en reflecties veroorzaken.

De problemen met metaalhaartjes komen dan pas tot uiting wanneer er een onbedoelde kortsluiting tot stand is gekomen. Dit kan zijn na jaren probleemloos bedrijf.

Oplossingen[bewerken]

Lood[bewerken]

Toepassing van lood kan dit verschijnsel flink verminderen. Dit is de reden dat traditioneel lood toegevoegd werd aan het 'soldeertin'. Vroeger kon het soldeertin voor meer dan de helft uit lood bestaan.

Momenteel mag vrijwel alleen loodvrij soldeer toegepast worden. De Europese Unie heeft het gebruik van lood in de meeste consumentenproducten verboden in het begin van de 21ste eeuw wegens gezondsheidsproblemen, die geassocieerd worden met lood en de "high-tech afval probleem", wat geleid heeft tot een hernieuwede belangstelling voor dit onderwerp, zie ook onder Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS). Om deze reden neemt dit verschijnsel tegenwoordig weer grotere vormen aan. Loodvrij soldeertin bestaat voor ongeveer 90% uit tin. Omdat lood niet meer toegepast mag worden zullen dus andere methoden toegepast moeten worden.

Conformal coatings[bewerken]

Conformal coatings, dus coatings bestaande uit een polymeer of een keramisch materiaal kunnen de vorming van metaalhaartjes stoppen. Polymere coatings zorgen ervoor dat de haartjes de kwetsbare delen niet kunnen bereiken terwijl keramische coatings voorkomen dat haartjes door de coatings heen kunnen prikken.

Oppervlakte behandeling[bewerken]

Thermische oppervlakte behandeling, in tegenstelling tot galvanische oppervlakte behandeling (galvanisch aangebrachte lagen), kan het risico van vorming van metaalhaartjes verminderen. Maar ook galvanisch opgebrachte lagen zouden naderhand nagegloeid kunnen worden.

Zie ook[bewerken]

Referenties[bewerken]

  1. George T. Galyon. A History of Tin Whisker Theory: 1946 to 2004. iNEMI Geraadpleegd op 27 april 2014

Externe links[bewerken]