Mindern Sie das Risiko von Zinn-Whiskern mit einer FMEA

Leute,

es wird zu Recht behauptet, das wir Zinn-Whisker nicht umfassend verstehen. Es wird korrekt darauf hingewiesen, dass man selbst bei einer Minderung nicht vollständig sicher sein kann, alle Zinn-Whisker eliminiert zu haben. Studien haben darüber hinaus belegt, dass Beschichtungen zur Verhinderung von Zinn-Whiskern nicht immer funktionieren.

Ist diese anscheinend beunruhigende Situation also hoffnungslos? Ganz bestimmt nicht, zumindest nicht bei eingehender Betrachtung derselben.

Zwar besitzen wir kein umfassendes Verständnis über Zinn-Whisker, aber letztendlich gibt es nichts, was wir wirklich umfassend verstehen. Als wir während meiner Tätigkeit bei IBM eine neue Fehlermöglichkeit entdeckten, kommentierte ein leitender Manager, dass wir das Phänomen dann recht gut verstehen würden, wenn wie die Anzahl dieser Fehler erhöhen und beseitigen könnten. Dies trifft im Grunde auch auf Zinn-Whisker zu. Zinn-Whisker bilden sich üblicherweise in Zinnschichten auf Kupfer. Druckspannungen im Zinn wurden als eine der Hauptursachen für Zinn-Whisker belegt (siehe Abbildung 1). Diese Druckspannungen können infolge von intermetallischen Phasen an der Kupfer-Zinn-Grenzfläche (1a), unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (1b), Korrosionsbelastungen (1c) und mechanischen Beanspruchungen (1d) entstehen.

Abbildung 1. Einige der Ursachen für Zinn-Whisker aufgrund von Druckspannungen im Zinn.

Eine Erhöhung der Druckspannungen führt zu einer dramatischen Erhöhung der Bildung von Zinn-Whiskern, während die Bildung bei Reduzierung dieser Spannungen erheblich reduziert wird.

Um das Auftreten von Zinn-Whiskern zu quantifizieren, haben Xu, Zhang, Fan, Abys, et al. [i] einen Whisker-Index (WI) entwickelt, der wie folgt definiert ist:

WI = Sn*d*L*f(L)

Dieser Index misst das Potenzial einer Whisker-Bildung, wobei S die Fläche ist; n die Anzahl der Whisker pro Flächeneinheit ist; d der Whisker-Durchmesser ist; L die Whisker-Länge ist; und f(L) eine nichtlineare Funktion der Länge ist, die 1 für eine Whisker-Länge von 1 Mikrometer und 500 für eine Whisker-Länge von 50 Mikrometern ergibt. Anhand dieser Messgröße wurde nachgewiesen, dass Druckspannungen erheblich zur Bildung von Zinn-Whiskern beitragen. In Übereinstimmung mit dieser Theorie in Bezug auf Druckspannungen als treibende Kraft haben diese Forscher gezeigt, dass helle, glänzende Zinnschichten in der Regel WIs von ca. 100.000 aufweisen, während der WI-Index durch den simplen Wechsel auf eine satinierte Schicht auf weniger als 10 reduziert werden kann. Große Körner in der Zinnschicht sind außerdem genau wie eine mattierte oder satinierte Oberfläche mit geringeren Spannungen verbunden. Große Körner sind somit ein weiteres positives Anzeichen zur Minderung von Zinn-Whiskern. Dabei wurde noch nicht einmal die zusätzliche Reduzierung von Zinn-Whiskern berücksichtigt, die bei Hinzufügung eines dünnen Nickel-Flashs zwischen dem Kupfer und dem Zinn oder von 2 % Wismut zum Zinn eintreten würde.

Allerdings kann man nicht davon ausgehen, dass diese Minderungsansätze Zinn-Whisker für den gesamten Zeitraum des jahrzehntelangen Einsatzes einiger einsatzkritischer Produkte vollständig eliminieren werden.

Beschichtungen stellen nachweislich erhebliche Minderungsvorteile bereit, obwohl die meisten Beschichtungen mit der wahrscheinlichen Ausnahme von Parylene von Zinn-Whiskern durchdrungen werden können. Um eine Bedrohung darzustellen, muss der Zinn-Whisker die Beschichtung jedoch zweimal durchdringen, wie auf der Abbildung 2 unten zu sehen ist. Da der Whisker aus seiner Basis heraus anwächst, ist er in den meisten Fällen nicht steif genug, um die Beschichtung ein zweites Mal zu durchdringen. Fälle mit einer zweiten Durchdringung traten fast immer bei einer lückenhaften Beschichtung auf.

Abbildung 2. Ein Zinn-Whisker kann an seiner Basis die Beschichtung leicht durchdringen. Für eine Bedrohung muss er jedoch eine zweite Beschichtung durchdringen. An der zweiten Beschichtung ist der Whisker lang, schwach und „flexibel“ und kann diese nur schwer durchdringen. 

Die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) ist eine gute Strategie, um das Risiko von Zinn-Whiskern zu bewerten. Die zentrale Messgröße der FMEA ist die Risikoprioritätszahl (RPZ). Bei Zinn-Whiskern entspricht die RPZ dem Produkt von: (1) der Auftretenswahrscheinlichkeit von Zinn-Whiskern (A); (2) dem Schweregrad, falls ein Zinn-Whisker vorhanden ist (S); und (3) der Fähigkeit, einen Zinn-Whisker zu entdecken (F). Als Gleichung:

RPZ = A*S*F

Nehmen wir als erstes Beispiel ein Verbraucherprodukt wie ein Mobiltelefon mit einer Lebensdauer von 5 Jahren an. Bei Minderung könnte A auf einer Skala von 1 bis 10 2 sein. S kann mit 3 bewertet werden, da ein Ausfall des Geräts niemandem einen schweren Schaden zufügen wird. Die Erkennungsfähigkeit (F) ist ein Problem, da später entstehende Zinn-Whisker während der Fertigung nicht erkannt werden können. Daher wird F mit 10 bewertet. Die RPZ ist daher: 2*3*10 = 60 und somit nicht zu hoch. Wenn A und S relativ niedrige Werte aufweisen, wäre eine Minderungsstrategie von Zinn-Whiskern somit bei jedem Verbraucherprodukt wahrscheinlich erfolgreich. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die Bestimmung der RPZ fast immer unterstützende Daten, Brainstorming-Sitzungen und das Engagement des gesamten Produktteams erfordert. Das Team muss außerdem alle angemessenen Minderungsstrategien festlegen, beispielsweise die Vermeidung von hellen Zinnbeschichtungen auf Komponentenleitern und eventuell einen Nickel-Flash zwischen dem Kupfer und dem Zinn.

Denken Sie jetzt an einsatzkritische Produkte wie bestimmte Militärausrüstungen. Wenn man von einer 40-jährigen Betriebslebensdauer der Elektronik ausgeht und bedenkt, dass ein Fehler zu Körperverletzungen oder Todesfällen führen kann, gelangt man wahrscheinlich zur höchstmöglichen RPZ von 10*10*10 = 1000. Dieser Fall erfordert die Ergreifung spezieller Maßnahmen, um das Risiko von Zinn-Whiskern zu bewältigen. Diese Maßnahmen werden in meinem Vortrag und meiner Präsentation auf der SMTA Pan Pacific 2019 erläutert. Ich hoffe Sie dort zu sehen!

Danke,

Dr. Ron