주석 위스커 위험 관리를 위해 FMEA 를 사용하세요

여러분,

사람들은 우리가 주석 위스커스를 완전히 이해하지 못한다고 당연히 주장해요. 그들은 심지어 완화시켜서라도 우리가 그것을 제거할 수 있다고 확신할 수 없는 점을 정확하게 지적하죠. 또한, 연구에 따르면 주석 위스커스를 방지하기 위한 코팅이 항상 효과가 있는 것은 아닌 것을 보여줍니다.

그래서 이 겉으로 보기에 불안한 상황이 크리스마스 유령과 직면하게 된 스크루지가 느꼈던 것보다 우리에게 덜 희망을 주었을까요? 그 상황을 좀 더 자세히 들여다 본다면 확실히 아니에요.

주석 위스커스를 완전히 이해하지 못하는 것은 사실이지만, 우리가 완전히 이해하는 것은 거의 없어요. 제가 IBM에서 일하면서 새로운 오류 모드를 발견했을 때, 한 수석 관리자는 이러한 유형의 오류 횟수를 증가시키고 또한 그러한 오류를 없앨 수 있다면 제가 그 현상을 실질적으로 상당히 잘 이해하는 것이라고 말했어요. 이 상황은 기본적으로 주석 위스커스에 대해서도 사실이에요. 주석 위스커스는 구리 위 주석 도금에서 전형적인 형태에요. 주석에서 압축 응력이 주석 위스커스를 초래하는 주요 원인으로 나타났어요 (그림 1 참조). 이러한 압축 응력은 구리-주석 금속간 형성 (1a), 열팽창 계수 (1b), 부식 응력 (1c) 및 기계적 응력 (1d)의 차이에서 발생할 수 있어요.

그림 1. 주석에서 압축 응력으로 초래된 일부 주석 위스커스

압축 응력을 증가시키면 주석 위스커 형성이 극적으로 증가하는 반면, 이러한 응력을 줄이면 주석 위스커 형성이 크게 감소해요.

주석 위스커 발생의 양적인 감각을 주기 위해, Xu, Zhang, Fan, Abys, 외의 다른 사람들은  [i] 다음과 같이 정의한 위스커 지수 (WI)를 개발했어요:

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

위스커를 생성하는 경향을 측정하기 위한 것인데, 여기서 S는 면적, n은 숫자, d는 위스커 직경, L은 위스커 길이, f(L)은 1 마이크로미터의 위스커 길이에 대해 1이며, 50마이크로미터의 위스커 길이에 대해 500이 되는 길이의 비선형 함수에요. 이 측정 기준을 사용하여 그들은 압축 응력이 주석 위스커 형성에 주요 원동력이 되는 것을 입증했어요. 압축 응력 원동력 이론과 일관되게, 이 연구자들은 밝은 주석 도금은 10만 개의 범위의 WI를 갖는 경향이 있는 반면, 단순히 밝은 새틴 도금으로 변경하면 WI 지수가 10 미만으로 감소되는 것을 보여주었어요. 추가적으로, 주석 도금의 큰 입자는 무광  또는 새틴 마감과 같이 낮은 응력과 연관되기 때문에 따라서 큰 입자는 주석 위스커를 완화시키는 또 하나의 긍정적인 지표에요. 이 상황은 구리와 주석 사이에 얇은 니켈 플래시를 추가하거나 주석에 2% 비스므스를 첨가함으로써 발생할 수 있는 추가적인 주석 위스커 감소도 심지어고려하지 않아요.

그렇지만 공평하게 말하자면, 이러한 유형의 완화 접근법이 일부 미션크리티컬 제품이 작동하는 수십 년 동안 주석 위스커스를 완전히 제거할 것이라고 가정 할 수는 없어요.

비록 대부분의 코팅에 주석 위스커가 침투될 수 있지만, 코팅은 상당한 완화 장점을 제공하는 것으로 나타났고, 파릴렌은 예외일 수 있어요. 그렇지만 위협적이 되려면 아래 그림 2에서 보여진 바와 같이 주석 위스커가 코팅을 두 번 침투해야 해요. 대부분의 경우, 맨 아래 부분에서 바깥으로 자라므로 두 번째 침투를 만들 수 있는 단단함은 없을 거에요. 이중 침투가 발생한 경우는 거의 항상 코팅 적용 범위가 한결같지 않은 곳이에요.

그림 2. 주석 위스커는 쉽게 맨 아래 부분의 코팅을 침투할 수 있지만, 위협적이 되려면 두 번째 코팅을 침투해야 해요. 두 번째 코팅에서 위스커는 길고 약하며 "늘어지고" 두 번째 침투가 어려울 수 있어요.

오류 모드와 효과 분석은 (FMEA) 주석 위스커를 평가하기 위한 좋은 전략이에요. FMEA의 중심이 되는 척도는 위험 우선 순위 번호 (RPN)에요. 주석 위스커스의 경우 RPN은 다음을 곱한 것과 같이요: (1) 주석 위스커스의 확률 (P), (2) 주석 위스커가 존재하는 경우, 심각성 (S), 및 (3) 주석 위스커 검출의 어려움 정도 (D).  방정식은 다음과 같아요:

RPN = P*S*D

첫 번째 예로, 수명이 5년인 휴대폰과 같은 소비자 제품을 고려해 보세요. 완화하여 1에서 10의 척도에서, P는 2가 될 수 있어요. S의 경우, 기기가 고장나서 다른 사람에게 심각한 피해를 줄 가능성이 거의 없으므로 3으로 평가할 수 있어요. 검출 (D)은 나중에 형성되는 주석 위스커가 제조 도중에 검출될 수 없기 때문에 문제가 되므로 D를 10으로 평가해야 해요. 따라서 RPN은 다음과 같아요: 2*3*10 = 60, 이는 너무 높지 않아요. 따라서, P와 S가 비교적 낮은 값을 갖는 경우, 주석 위스커 완화 전략이 모든 소비자 제품에 대해 성공적일 수 있어요. RPN 숫자를 결정하는 데에는 지원 데이터, 브레인스토밍 세션 및 전체 제품 팀의 승인이 거의 확실히 요구되는 점을 지적해야 해요. 팀은 또한 부품 리드에서 밝은 주석 코팅을 피하고 아마도 구리와 주석 사이의 니켈 플래시를 사용하는 것과 같은 적절한 완화 전략을 결정해야 해요.

이제 특정 유형의 군용 장비와 같은 미션크리티컬 제품을 고려해 보세요. 전자 제품의 서비스 수명이 40 년이고 고장으로 인한 신체 상해 또는 사망이 발생할 수 있다고 가정하다면, 가능한 최고 RPN인  RPN = 10*10*10 = 1000에 의견이 일치할 수 있어요. 이 상황은 주석 위스커 위험을 해결하기 위해 특별한 전술이 사용되도록 요구될 것입니다. 이러한 전술은  SMTA 팬 퍼시픽 2019에서 발표하게 되는 저의 논문에서 논의될 거에요. 여러분이 참석하실 수 있기를 바래요!

감사합니다,

론 박사