Factores que rigen el crecimiento de los bigotes de estaño (Tesis de Springer)

Factores que gobiernan el crecimiento de los bigotes de estaño

Sobre el Libro

Factores que rigen el crecimiento de los bigotes de estaño (Tesis de Springer) [Factors Governing Tin Whisker Growth (Springer Theses)] es un libro de 148 páginas escrito por Erika R Crandall y publicado por la editorial Springer en el año 2013.

Descripción del Libro

Los bigotes de estaño (Sn) son erupciones de monocristales eléctricamente conductores que crecen en las superficies de la película de Sn. Su alta relación de aspecto presenta problemas de confiabilidad para la industria de la electrónica debido a puentes y arcos metálicos, lo que lleva a fallas y fallas catastróficas en muchos sistemas electrónicos (incluidos los sectores de satélites y defensa). Debido a la legislación de la UE, Japón y los EE. UU., Que exige un cambio gradual de las soldaduras y acabados de tablero basados ​​en plomo (Pb) a sin plomo, ha habido un resurgimiento de los bigotes de Sn. Los informes continuos de fallas inducidas por los bigotes de Sn junto con la falta de una comprensión aceptada por la industria del crecimiento de los bigotes y / o métodos de prueba para identificar productos propensos a los bigotes han hecho que los sustitutos de Sn puro / alto sean una propuesta arriesgada en los sistemas de alta confiabilidad.

Esta tesis está diseñada para aclarar y controlar los mecanismos fundamentales que gobiernan la formación de bigotes. La investigación se centra en bigotes reproducibles creados en “laboratorio” bajo una variedad de factores ambientales rigurosamente controlados como el grosor de la película, la tensión de la película, el material del sustrato, el entorno gaseoso y la exposición a la humedad, que se sabe que juegan un papel importante en la producción de bigotes. La cuestión fundamental de cómo impedir y / o prevenir el crecimiento de los bigotes también se aborda y muestra que la prevención de los bigotes es posible mediante películas de recubrimiento de metal duro, que son impenetrables para los bigotes.

Sobre la autora

Erika Crandall recibió su Ph.D. del Departamento de Física de la Universidad de Auburn bajo el supervisor Michael Bozack. Recibió el Premio al Estudiante de Doctorado Sobresaliente de la Universidad de Auburn en 2012, y fue la ganadora inaugural del Premio al Joven Investigador de la Conferencia Internacional Holm de la IEEE por su artículo “Crecimiento de bigotes de estaño bajo exposición a humedad controlada”.

Tabla de contenido

  • 1 Introducción: Bigotes de estaño y su papel en la confiabilidad de los componentes.
  • 2 Efectos de la película / sustrato sobre el crecimiento de los bigotes de estaño.
  • 3 Efectos ambientales sobre el crecimiento de bigotes de estaño.
  • 4 Mitigación y prevención de bigotes de estaño.
  • 5 Conclusiones.

A continuación se muestra un extracto del libro:

Capítulo 1: Introducción: Bigotes de estaño y su papel en la confiabilidad de los componentes

La física cuántica significa que cualquier cosa puede suceder en cualquier momento sin ninguna razón.
Profesor Hubert Farnsworth.

1.1 ¿Qué son los bigotes de estaño?

La formación de bigotes metálicos surgió por primera vez como un problema de confiabilidad de los componentes ya en la década de 1940. Un bigote metálico es una erupción filamentosa monocristalina de una superficie metálica. Múltiples filamentos monocristalinos pueden unirse y formar un solo bigote. La mayoría de los bigotes de aspecto alto tienen forma cilíndrica con diámetros promedio de aproximadamente una micra con longitudes de hasta varios milímetros. Los bigotes generalmente se generan en películas delgadas de metal (de 0,5 a decenas de micrones) que se han depositado sobre un material de sustrato, aunque también se ha observado con poca frecuencia que los bigotes crezcan a partir de materiales a granel. Los bigotes pueden ser rectos, retorcidos o incluso curvados. Los depósitos de películas metálicas también pueden tener otros tipos de erupciones que son bastante diferentes en apariencia a las erupciones de bigotes de alta relación de aspecto. Estos se conocen comúnmente como flores, extrusiones, montículos y volcanes. Generalmente, son de menor interés académico en comparación con los bigotes más largos y de alta relación de aspecto que aborda esta tesis.

La mayor parte del trabajo presentado aquí se centrará en los bigotes de estaño (Sn), ya que son el problema de bigotes dominante para los componentes electrónicos en la actualidad. Sin embargo, el Sn no es el único material formador de bigotes, ya que también se ha observado que el cadmio, zinc, indio, aluminio, oro, plomo y plata producen bigotes.

1.2 Historia del bigote de estaño

La formación de bigotes metálicos se convirtió por primera vez en un problema y en un tema de interés ya en la década de 1940, justo después de la TI de la Guerra Mundial. El cadmio galvanizado fue el primero en desarrollar bigotes lo suficientemente largos como para cortocircuitar las placas de condensadores adyacentes en los componentes electrónicos, reportado por primera vez por Cobb en. En 1948, Bell Telephone Corporation experimentó fallas en los filtros de canal utilizados para mantener bandas de frecuencia en líneas de transmisión telefónica multicanal. El análisis de fallas mostró rápidamente que la formación de bigotes de Cd era la causa principal de las fallas del filtro de canal.

Bell Laboratories luego inició una serie de investigaciones a largo plazo sobre el tema general de la formación de bigotes, que fue informado por primera vez en 1951 por Compton et al. La investigación estableció que la formación de bigotes se produjo de forma espontánea, pero no solo en la galvanoplastia de Cd. También se encontró crecimiento de bigotes en zinc, Sn, plata galvanizados e incluso en aleaciones de fundición de Al. Compton et al. El documento proporcionó las primeras declaraciones resumidas que se utilizarían como guía para futuras investigaciones sobre bigotes. La conclusión fue que el crecimiento de los bigotes no se limita a los recubrimientos electrodepositados y también se puede encontrar en metales sólidos. Gran parte de la investigación desde el documento Compton de 1951 se ha centrado en las aleaciones de Sn y Sn galvanizadas en varios sustratos, ya que la galvanoplastia de aleaciones de Sn y Sn se convirtió en el revestimiento de elección para componentes electrónicos debido a la combinación favorable de resistencia al contacto, resistencia a la corrosión, baja costo y soldabilidad.

En 1959, Arnold publicó un artículo en el que se detallaba el efecto beneficioso de mitigación de los bigotes observado cuando se alea el recubrimiento de Sn con Pb. Señaló que, si bien las aleaciones de Sn-Pb se agitarán si se someten a grandes esfuerzos de compresión (una conclusión que también hemos encontrado), es raro lo contrario. Después de su artículo, la estrategia de mitigación predominante para el revestimiento de Sn en la industria electrónica de los Estados Unidos durante los siguientes 50 años se convirtió en la co-deposición de Pb en el proceso de galvanoplastia de Sn. Unos años más tarde (1964) este resultado fue reforzado por Pitt y Henning, quienes observaron el crecimiento de bigotes debido a ambientes de presión de sujeción en Sn sumergido en caliente y 50% de sSn-S0 SePb depositado sobre sustratos de cobre (Cu) y acero. Las densidades de bigotes observadas disminuyeron al aumentar el contenido de Pb.

En 1974, Britton del Instituto de Investigación del Estaño (ahora conocido como Instituto Internacional de Investigación del Estaño (ITRD Ltd.)) publicó un artículo de revisión en colaboración con Bell Labs, que afirmaba que Sn-Pb deposita al menos 8 um de espesor (mate o brillante) son probablemente seguros y adecuados para la mayoría de los propósitos en los que el crecimiento de los bigotes puede ser un peligro. Afirmó que un contenido de Pb del 1% es suficientemente eficaz para prevenir los bigotes, pero es mejor seleccionar un proceso Sn-Pb con un mayor desarrollo Contenido de Pb, que nuevamente apoyó a la aleación Sn-Pb como la aleación recomendada de elección.

En 1975-1976, un conjunto de publicaciones de Dunn de la Agencia Espacial Europea recomendó encarecidamente que las superficies que son propensas al crecimiento de bigotes inducido por estrés (como Sn, Cd y Zn) se excluyan del diseño de naves espaciales. El acabado alternativo sugerido, por supuesto, fue una aleación de Sn-Pb de 60Sn / 40Pb. Dunn fue el primero en sugerir que las placas de Sn puro no deberían usarse para aplicaciones críticas, como naves espaciales. Sin embargo, no se adoptó ninguna posición reglamentaria o obligatoria en relación con las recomendaciones de Dunn, que resultaron ser muy desafortunadas en años futuros, ya que se produjeron varias fallas de confiabilidad significativas en los equipos de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Que se atribuyeron a los bigotes de Sn.

En 1986, Nordwall y Capitano y Devaney discutieron la primera experiencia del ejército de los EE. UU. Con bigotes que crecen a partir de circuitos híbridos con revestimiento de Sn. Los bigotes se estaban rompiendo, cayendo en circuitos activos y provocando un funcionamiento intermitente. La USAF descubrió el problema mientras examinaba sistemas de radar fallidos de 12 años.

Fin del extracto.

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