Whisker, die durch verschiedene Faktoren entstehen und wachsen, können in elektrischen und elektronischen Geräten Probleme, wie z. B. Kurzschlüsse, verursachen, so dass Gegenmaßnahmen ergriffen werden müssen. In diesem Abschnitt werden Ursachen, Wachstumsmechanismen und Umgebungen für Whisker sowie verschiedene Bewertungsprüfungen für Whisker erläutert. Zudem werden auch Anwendungsbeispiele für das Digitalmikroskop zur Problemlösung bei der Betrachtung von Zinn-Whiskern vorgestellt.

Ursachen für Zinn-Whisker und Lösungsansätze bei der Prüfung, Betrachtung und Beurteilung

Probleme und Ursachen von Whiskern

Whiskerwachstum ist ein Phänomen, bei dem Einkristalle aus Metall spontan aus Metalloberflächen herauswachsen. Whisker entstehen vor allem in Zinn (Sn)- und Zink (Zn)-Beschichtungen. Der Begriff Whisker bezeichnet die Schnurrhaare, die viele Säugetiere – einschließlich Katzen und Mäuse – haben und verweist so auf die nadel- oder knötchenartigen Haarkristalle, die auf metallischen Schichten wachsen.

Probleme und Hintergründe zu Whiskern

Whisker, die in einem elektrischen Stromkreis oder einem Verbindungsabschnitt wachsen, können Kurzschlüsse verursachen, die zu Ausfällen von elektrischen Produkten, elektronischen Schaltungen und elektronischen Geräten führen.
Im Jahr 1946 gab es viele Produktausfälle auf dem Markt, die durch Kurzschlüsse in Radios verursacht wurden, die mit Cadmium plattierte Drehkondensatoren verwendeten. Damit gerieten Cadmium-Whisker in den Fokus der Öffentlichkeit.
In den 1950er Jahren wurde einer Legierung eine geringe Menge Blei zugesetzt, um das Whiskerwachstum zu verlangsamen, und diese Gegenmaßnahme fand weite Verbreitung. Seit dem Jahr 2000, als der Trend dahin ging, die Verwendung von Blei in Produkten zu verbieten, kam die Zinnbeschichtung zum Einsatz. Die Verwendung von Zinnbeschichtungen führte jedoch dazu, dass Whisker in vielen Produkten, von Armbanduhren über Kernreaktoren bis hin zu Produkten in der Luft- und Raumfahrt, einschließlich der Satelliten und Space Shuttles der NASA, zu Ausfällen führten, sodass Whisker erneut als wichtiges Thema in den Fokus rückten.

Ursachen von Whiskern

Es wird angenommen, dass Whisker hauptsächlich durch Einflüsse der folgenden Faktoren entstehen:

  • Diffusion in intermetallischen Verbindungen
  • Kontaktkorrosion*
  • Externe Spannung
  • Spannung, die durch einen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugt wird

Da es noch viele andere mögliche Faktoren gibt, ist der zugrunde liegende Mechanismus der Whiskerbildung noch unklar.

Kontaktkorrosion (auch Bimetallkorrosion genannt) entsteht, wenn zwei verschiedene metallische Werkstoffe in elektrischen Kontakt gebracht werden und eine Potentialdifferenz zwischen ihnen besteht.

Umgebungen für Whiskerwachstum

Zinn- und Zink-Whisker entstehen und wachsen leicht, weil ihre Atome bei etwa Raumtemperatur aktiv diffundieren. Die Diffusion wird in der Regel durch die folgenden Umwelteinflüsse bestimmt. Im Folgenden sind typische Umgebungsfaktoren aufgeführt, unter denen Whisker auftreten können.

  • Raumtemperatur
  • Temperaturwechsel
  • Oxidation und Korrosion
  • Externer Druck
  • Elektromigration*

Whisker entstehen durch Elektromigration in Halbleitern mit hoher Stromdichte oder speziellem Packaging wie Flip-Chip-Packaging.

Unter Elektromigration versteht man den Transport von Metallatomen in einem festen Leiter, der durch elektrischen Strom verursacht wird. So können beispielsweise in einem Aluminiumdraht an der Anode Whisker und Hillocks entstehen und wachsen, weil sich Aluminiumatome in Richtung des Elektronenflusses bewegen.

Prüfung, Betrachtung und Beurteilung von Zinn-Whiskern

Da insbesondere das Auftreten und Wachsen von Zinn-Whiskern zum Ausfall von elektrischen und elektronischen Produkten führen kann, werden verschiedene Untersuchungen, Betrachtungen und Beurteilungen durchgeführt, um Gegenmaßnahmen zu ergreifen. In diesem Abschnitt werden typische Untersuchungen und Bedingungen zur Bewertung von Zinn-Whiskern vorgestellt. Außerdem wird die aktuelle Situation und der Trend bei der Betrachtung und Beurteilung erläutert.

Beispiele für Zinn-Whisker-Bewertungsprüfungen

Im Folgenden werden Beispiele für die Arten und Bedingungen von Prüfungen gezeigt, die derzeit zur Beurteilung von Zinn-Whiskern durchgeführt werden.

Lagerungsprüfung bei Umgebungstemperatur
Betrachtung des Wachstums von Zinn-Whiskern, die durch den Einfluss der Diffusion in intermetallischen Verbindungen entstehen
Umgebung: 30 ±2°C / 60 ±3% r.F., Zeit: 4000 Stunden
Test bei konstanter Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit
Betrachtung des Wachstums von Zinn-Whiskern, die durch Kontaktkorrosion entstehen
Umgebung: 55 ±3°C / 85 ±3% r.F., Zeit: 2000 Stunden
Temperaturwechselbeanspruchung
Betrachtung des Wachstums von Zinn-Whiskern, die aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung entstehen
Umgebung: niedrige Temperatur -55 ±5°C oder -40 ±5°C / hohe Temperatur 85 ±2°C oder 125 ±2°C, Anzahl der Zyklen: 2000
Externer Belastungstest
Betrachtung des Wachstums von Zinn-Whiskern, die durch den Einfluss äußerer Beanspruchung entstehen
Typ: Kontaktprüfung (mit tatsächlichen Produkten), Belastungstest (mit einer Zirkonoxidkugel mit einem Durchmesser von 0,1 mm und einer Belastung von 300 gf für eine Dauer von 500 Stunden)

Vergrößerte Betrachtung und Beurteilung als wichtige Gegenmaßnahmen für Zinn-Whisker

Es ist möglich, Produktausfallrisiken im Voraus zu verstehen und proaktive Gegenmaßnahmen für solche Risiken zu ergreifen, wenn die Bedingungen für das Auftreten und Wachstum von Zinn-Whiskern bei jedem Test durch vergrößerte Betrachtung analysiert und beurteilt werden können. Die Risiken können erkannt und Gegenmaßnahmen ergriffen werden, weil wichtige Informationen für die Forschung und Entwicklung, das Schaltungsdesign, die Materialauswahl und die Herstellung der elektrischen Produkte und elektronischen Geräte gewonnen werden können, bevor diese Produkte auf den Markt kommen.
Für die konventionelle vergrößerte Betrachtung von Zinn-Whiskern werden unterschiedlichste Mikroskope verwendet. So verfügen beispielsweise Digitalmikroskope über eine intuitive Bedienung, sodass sich mit ihnen Zinn-Whisker effektiv und mit klaren Bildern betrachten und beurteilen lassen.

Aktuelle Lösungsbeispiele für Probleme bei der Betrachtung und Beurteilung von Zinn-Whiskern

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX von KEYENCE verwendet modernste Technologien, wie beispielsweise hochauflösende Objektive, einen 4K-CMOS-Sensor, und ein Bilderfassungssystem mit integrierter Beleuchtung und ermöglicht so die einfache und genaue Betrachtung und Analyse anhand tiefenscharfer Aufnahmen in kürzester Zeit. In diesem Abschnitt werden Lösungsbeispiele für Probleme bei der konventionellen Betrachtung und Beurteilung von Zinn-Whiskern vorgestellt.

Betrachtung von Zinn-Whiskern auf einem Steckverbinder mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Betrachtung von Zinn-Whiskern auf einem Steckverbinder mit dem 4K-Digitalmikroskop der Modellreihe VHX

Problemlösungen bei der Betrachtung von Zinn-Whiskern

Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX

Das neu entwickelte optische System und der 4K-CMOS-Bildsensor machen Vakuumkammern überflüssig und ermöglichen die Betrachtung von Objekten in Nicht-Vakuum-Umgebungen, während das Sichtfeld bei Vergrößerungen von bis zu 6000x nachgeführt wird. Die Betrachtung ist mit klaren, hochauflösenden Aufnahmen und ohne zeitaufwendige Vorbereitung möglich.

Das System zur Betrachtung aus jedem beliebigen Winkel mit XYZ-motorisiertem Objekttisch ermöglicht eine einfache Ausrichtung des Sichtfelds, sowie die Drehung und Bewegung der Neigungsachse, sodass eine freie und einfache Betrachtung aus jedem Winkel möglich ist.

Darüber hinaus ermöglicht die Tiefenzusammensetzung in Echtzeit die Betrachtung mit tiefenscharfen Aufnahmen bei gleichzeitig hoher Vergrößerung und Auflösung. Auf einem Übersichtsbild des Objekts kann der Anwender einfach den Bereich anklicken, den er betrachten möchte. Der Objekttisch wird dann automatisch an die ausgewählte Position verfahren und die Tiefenzusammensetzung wird durchgeführt bis eine tiefenscharfe Aufnahme des Bereichs erstellt ist. Dies verkürzt nicht nur den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Probenpositionierung, sondern sorgt auch für eine effizientere Betrachtung.

Das System zur Betrachtung aus jedem beliebigen Winkel für eine Betrachtung aus der Schräge
Das System zur Betrachtung aus jedem beliebigen Winkel für eine Betrachtung aus der Schräge

Weitere Problemlösungen bei der Betrachtung von Zinn-Whiskern mithilfe eines Digitalmikroskops

Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX

Die hochauflösenden Objektive und der motorisierte Revolver ermöglichen eine vergrößerte Betrachtung tiefenscharfen Aufnahmen durch stufenloses Zoomen mit einer Vergrößerung zwischen 20x und 6000x ohne Objektivwechsel.

A. Hochauflösendes Objektiv B. Motorisierter Revolver
  1. A. Hochauflösendes Objektiv
  2. B. Motorisierter Revolver

Die Tiefenzusammensetzung in Echtzeit ermöglicht eine vollständige Fokussierung des gesamten Messobjekts bei gleichzeitig hoher Vergrößerung und Auflösung, selbst bei Objekten mit unebenen Oberflächen aufgrund von Zinn-Whiskern. Durch Anklicken des zu betrachtenden Bereichs wird der Objekttisch automatisch an die ausgewählte Position verfahren und die Tiefenzusammensetzung wird durchgeführt bis eine tiefenscharfe Aufnahme des Bereichs erstellt ist. Dadurch wird die Arbeitseffizienz erheblich verbessert.

Das System zur Betrachtung aus jedem beliebigen Winkel mit XYZ-motorisiertem Objekttisch ermöglicht eine Betrachtung aus der Schräge. Gewachsene Zinn-Whisker, die knötchenförmige Auswüchse bilden, können an der gewünschten Stelle und aus dem gewünschten Winkel effektiv betrachtet werden.

Der neue Standard für die Betrachtung von dreidimensionalen Zinn-Whiskern

Zusätzlich zu den hier vorgestellten Funktionen verfügt das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX über viele weitere nützliche Funktionen, wie z. B. 3D-Messfunktionen zur 3D-Form- und Profilmessung von Zinn-Whiskern, die Funktion zur automatischen Reproduktion der Bildaufnahmebedingungen, und die Funktion zur Berichterstellung.
Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX lassen sich die Betrachtung, Analyse und Messung von dreidimensionalen Zinn-Whiskern quantifizieren und optimieren, was zahlreiche Vorteile für verschiedene Einsatzbereiche im Zusammenhang mit elektrischen Produkten und elektronischen Geräten bietet.

Für weitere Informationen zur Modellreihe VHX klicken Sie bitte auf die unten angezeigte Schaltfläche, um die Broschüre herunterzuladen. Für Anfragen klicken Sie bitte auf die entsprechende Schaltfläche, um KEYENCE zu kontaktieren.