Uso de FMEA para el manejo del riesgo de filamentos de estaño

Amigos,

Las personas afirman con razón que no entendemos a fondo los filamentos de estaño. Señalan correctamente que, incluso con la mitigación, no podemos estar seguros de poder eliminarlos. Además, los estudios han demostrado que los recubrimientos para prevenir los filamentos de estaño no siempre funcionan.

Entonces, ¿esta situación aparentemente inquietante nos da menos esperanza de la que Scrooge sintió cuando se enfrentó con el fantasma de las navidades futuras? Ciertamente no, si nos fijamos en la situación con un poco más de detalle.

Si bien es cierto que no entendemos a fondo los filamentos de estaño, no hay casi nada que que realmente entendamos bien. Cuando trabajé en IBM y descubrimos un nuevo modo de falla, un gerente senior comentó que si se pudiera aumentar la cantidad de ese tipo de fallas y también hacer que las fallas desaparezcan, se tendría una buena comprensión práctica del fenómeno. Esta situación es básicamente cierta para los filamentos de estaño. Forma típica de los filamentos de estaño sobre galvanizados de cobre. Se ha demostrado que las tensiones de compresión en el estaño son una causa importante de los filamentos (consulte la Figura 1). Estas tensiones de compresión pueden surgir por la formación intermetálica de cobre-estaño (1a), las diferencias en el coeficiente térmico de expansión (1b), la corrosión (1c) y las fuerzas mecánicas (1d).

Figura 1. Filamentos causados por tensiones de compresión en el estaño.

El incremento de las tensiones de compresión aumenta dramáticamente la formación de filamentos de estaño, mientras que la reducción de estas tensiones reduce dramáticamente su formación.

Para dar un sentido cuantitativo de la ocurrencia de los filamentos de estaño, Xu, Zhang, Fan, Abys, et al.[i] desarrollaron  un Índice de Filamentos (WI), definido como:

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

para medir la propensión a producir filamentos, donde S es el área; n es el número de filamentos por unidad de área; d es el diámetro del filamento; L es la longitud de los filamentos; y f(L) es una función no lineal de longitud, que es 1 para una longitud de filamento de 1 micrómetro y 500 para una longitud de filamento de 50 micrómetros. Al usar esta medición, demostraron cuantitativamente que las tensiones de compresión son una fuerza impulsora importante en la formación de filamentos de estaño. De acuerdo con la teoría de la fuerza impulsora de la tensión compresiva, estos investigadores demostraron que los recubrimientos de estaño brillante tienden a tener WIs en el rango de 100.000, mientras que el simple cambio a recubrimiento satinado reduce el índice de WI a menos de 10. Además, los granos grandes en el recubrimiento de estaño se asocian con bajas tensiones, al igual que un acabado mate o satinado, por lo que los granos grandes son otro indicador positivo para mitigar los filamentos de estaño. Esta situación ni siquiera considera la reducción adicional de filamento de estaño que se produciría al agregar un destello de níquel fino entre el cobre y el estaño o agregar un 2% de bismuto al estaño.

Sin embargo, para ser justos, no podemos asumir que estos tipos de enfoques de mitigación eliminarán completamente los filamentos de estaño durante las décadas en que algunos productos de misión crítica deben servir.

Se ha demostrado que los recubrimientos proporcionan un beneficio de mitigación considerable, aunque la mayoría de los recubrimientos pueden ser penetrados por filamentos de estaño, y es probable que el parileno sea la excepción. Sin embargo, para ser una amenaza, los filamentos de estaño deben penetrar el recubrimiento dos veces, como se muestra a continuación en la Figura 2. En la mayoría de los casos, a medida que crecen desde su base, no tendrán la rigidez para hacer la segunda penetración. Los casos en los que se ha producido la doble penetración casi siempre han sido donde la cobertura del recubrimiento es irregular.

Figura 2. Un filamento de estaño podría penetrar fácilmente el recubrimiento en su base, pero para ser una amenaza debe penetrar el segundo recubrimiento. En el segundo recubrimiento, el filamento es largo, débil y "flexible", y tendrá dificultades para realizar la segunda penetración.

El análisis de modos de falla y de efectos  (FMEA) es una buena estrategia para evaluar el riesgo de filamentos de estaño. La medida central del FMEA es la cifra de prioridad de riesgo (RPN). Para los filamentos de estaño, el RPN es igual al producto de: (1) la probabilidad de filamentos de estaño (P); (2) la severidad, si existe un filamento de estaño (S) y (3) lo difícil que es detectar un filamento de estaño (D).  En forma de ecuación:

RPN = P*S*D

Como primer ejemplo, consideren un producto de consumo, como un teléfono móvil con una vida útil de 5 años. Con la mitigación, en una escala de 1 a 10, P podría ser 2. Para S, podríamos puntuar con un 3, ya que es poco probable que una falla en el dispositivo le cause un daño severo a alguien. La detección (D) es un problema porque los filamentos de estaño que se forman más tarde no pueden detectarse durante la fabricación; por lo tanto, tendríamos que calificar D como un 10. Entonces, el RPN es: 2*3*10 = 60, que no es tan alto. Por lo tanto, con P y S en valores relativamente bajos, una estrategia de mitigación de filamentos de estaño podría ser exitosa para cualquier producto de consumo. Debe señalarse que determinar las cifras de RPN casi seguramente requeriría datos de apoyo, sesiones de lluvia de ideas y un compromiso por parte de todo el equipo de productos. El equipo también tendría que determinar cualquier estrategia de mitigación adecuada, como evitar los recubrimientos de estaño brillante en los cables de los componentes y quizás utilizar un destello de níquel entre el cobre y el estaño.

Ahora consideren un producto de misión crítica, como ciertos tipos de equipos militares. Si asumimos que la electrónica tiene una vida útil de 40 años y que una falla podría causar lesiones corporales o la muerte, probablemente podríamos llegar a un consenso de que RPN = 10*10*10 = 1000, el RPN más alto posible. Esta situación exigiría el uso de tácticas especiales para abordar el riesgo de presencia de filamentos. Estas tácticas se discutirán en mi artículo y la presentación se hará en SMTA Pan Pacific 2019. ¡Espero que me puedan acompañar!

Saludos,

Dr. Ron