De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a navegación Saltar a búsqueda
Bigotes plateados que crecen en resistencias de montaje en superficie

El bigote de metal es un fenómeno que ocurre en los dispositivos eléctricos cuando los metales forman proyecciones largas en forma de bigotes a lo largo del tiempo. Los bigotes de estaño se notaron y documentaron en la era de los tubos de vacío de la electrónica a principios del siglo XX en equipos que utilizaban soldadura de estaño pura, o casi pura, en su producción. Se notó que crecían pequeños pelos o zarcillos de metal entre las almohadillas de soldadura de metal causando cortocircuitos . Los bigotes de metal se forman en presencia de tensión compresiva. Se han documentado bigotes de zinc , cadmio e incluso plomo . [1] Se utilizan muchas técnicas para mitigar el problema, incluidos los cambios en el recocidoproceso (calentamiento y enfriamiento), adición de elementos como cobre y níquel, e inclusión de revestimientos de conformación . [2] Tradicionalmente, se ha añadido plomo para ralentizar el crecimiento de los bigotes en las soldaduras a base de estaño.

Siguiendo la Directiva de restricción de sustancias peligrosas (RoHS), la Unión Europea prohibió el uso de plomo en la mayoría de los productos electrónicos de consumo a partir de 2006 debido a problemas de salud asociados con el plomo y el problema de la "basura de alta tecnología", lo que llevó a un cambio de enfoque en el problema de la formación de bigotes en las soldaduras sin plomo .

Mecanismo [ editar ]

Vista microscópica de estaño utilizado para soldar componentes electrónicos mostrando un bigote

El bigote de metal es un fenómeno metalúrgico cristalino que implica el crecimiento espontáneo de pelos diminutos y filiformes de una superficie metálica . El efecto se observa principalmente en metales elementales , pero también ocurre con aleaciones .

El mecanismo detrás del crecimiento de los bigotes de metal no se comprende bien , pero parece verse favorecido por tensiones mecánicas de compresión que incluyen:

  • tensiones residuales causadas por galvanoplastia ,
  • tensiones inducidas mecánicamente,
  • tensiones inducidas por la difusión de diferentes metales,
  • tensiones inducidas térmicamente, y
  • gradientes de deformación en materiales. [3]

Los bigotes de metal se diferencian de las dendritas metálicas en varios aspectos; las dendritas tienen forma de helecho y crecen a lo largo de la superficie del metal, mientras que los bigotes de metal son similares a pelos y se proyectan perpendicularmente a la superficie. El crecimiento de la dendrita requiere humedad capaz de disolver el metal en una solución de iones metálicos que luego se redistribuyen por electromigración en presencia de un campo electromagnético . Si bien se desconoce el mecanismo preciso para la formación de los bigotes, se sabe que la formación de los bigotes no requiere la disolución del metal ni la presencia de un campo electromagnético.

Efectos [ editar ]

Varillas de zinc de varios mm de largo sobre acero recubierto de zinc

Los bigotes pueden provocar cortocircuitos y arcos eléctricos en los equipos eléctricos. El fenómeno fue descubierto por las compañías telefónicas a fines de la década de 1940 y más tarde se descubrió que la adición de plomo a la soldadura de estaño proporcionaba una mitigación. [4] La Directiva europea de restricción de sustancias peligrosas (RoHS), que entró en vigor el 1 de julio de 2006, restringió el uso de plomo en varios tipos de equipos eléctricos y electrónicos. Esto ha impulsado el uso de aleaciones sin plomo con un enfoque en la prevención de la formación de bigotes, ver § Mitigación y eliminación . Otros se han centrado en el desarrollo de recubrimientos de barrera al oxígeno para prevenir la formación de bigotes. [5]

Los bigotes de zinc en el aire han sido responsables del aumento de las tasas de fallas del sistema en las salas de servidores de computadoras . [6] Los bigotes de zinc crecen a partir de superficies metálicas galvanizadas (galvanizadas) a una velocidad de hasta un milímetro por año con un diámetro de unos pocos micrómetros. Whiskers pueden formar en la parte inferior de cinc electrochapado piso azulejos en pisos elevados debido a tensiones aplicadas al caminar sobre ellos; estos bigotes pueden luego ser transportados por el aire dentro del plenum del piso cuando se mueven las baldosas, generalmente durante el mantenimiento. Los bigotes pueden ser lo suficientemente pequeños como para pasar a través de los filtros de aire y pueden asentarse dentro del equipo, provocando cortocircuitos y fallas en el sistema.

Los bigotes de hojalata no tienen que estar en el aire para dañar el equipo, ya que normalmente ya están creciendo en un entorno en el que pueden producir cortocircuitos. A frecuencias superiores a 6 GHz o en circuitos digitales rápidos, los bigotes de hojalata pueden actuar como antenas en miniatura , afectando la impedancia del circuito y provocando reflejos. En las unidades de disco de las computadoras, pueden romperse y causar golpes de cabeza o fallas en los cojinetes. Los bigotes de estaño a menudo causan fallas en los relés y se han encontrado al examinar los relés que fallaron en las instalaciones de energía nuclear . [7] Se han retirado del mercado los marcapasos debido a los bigotes de estaño. [8]La investigación también ha identificado un modo de falla particular para los bigotes de estaño en el vacío (como en el espacio), donde en los componentes de alta potencia, un bigote de estaño en cortocircuito se ioniza en un plasma que es capaz de conducir cientos de amperios de corriente, aumentando masivamente el efecto dañino del cortocircuito. [9] El posible aumento en el uso de estaño puro en la electrónica debido a la directiva RoHS llevó a JEDEC e IPC a publicar una norma de prueba de aceptación de bigotes de estaño y una guía de prácticas de mitigación destinada a ayudar a los fabricantes a reducir el riesgo de bigotes de estaño en productos sin plomo. . [10]

Los bigotes de plata a menudo aparecen junto con una capa de sulfuro de plata que se forma en la superficie de los contactos eléctricos de plata que operan en una atmósfera rica en sulfuro de hidrógeno y alta humedad . Tales atmósferas pueden existir en el tratamiento de aguas residuales y en las fábricas de papel .

Se observaron bigotes de más de 20 µm de longitud en superficies chapadas en oro y se anotaron en un memorando interno de la NASA de 2003. [11]

Los efectos del bigote de metal se relataron en el programa Engineering Disasters 19 de History Channel .

Mitigación y eliminación [ editar ]

Se utilizan varios enfoques para reducir o eliminar el crecimiento de los bigotes con la investigación en curso en el área.

Recubrimientos conformales [ editar ]

Los recubrimientos compuestos conformados evitan que los bigotes penetren una barrera y alcancen una terminación cercana y formen un corto. Estos incluyen barreras hechas de un compuesto cerámico o polimérico. Los compuestos poliméricos tienden a desviar el pelo mientras que las químicas cerámicas evitan la perforación del recubrimiento. [12]

Alterando la química del recubrimiento [ editar ]

Se ha demostrado que los acabados de terminación de níquel, oro o paladio eliminan los bigotes en ensayos controlados. [12] [13]

Ejemplos e incidentes de bigotes de estaño [ editar ]

Galaxy IV [ editar ]

Galaxy IV era un satélite de telecomunicaciones que se desactivó y se perdió debido a los cortocircuitos causados ​​por los bigotes de estaño en 1998. Inicialmente se pensó que el clima espacial contribuyó a la falla, pero luego se descubrió que se había aplicado mal un revestimiento de conformación, lo que permitió que se formaran bigotes en el estañado puro para encontrar su camino a través de un área de recubrimiento faltante, causando una falla en la computadora de control principal. El fabricante, Hughes, ha optado por el niquelado, en lugar del estaño, para reducir el riesgo de crecimiento de bigotes. La compensación ha sido un aumento de peso, agregando de 50 a 100 kilogramos (110 a 220 libras) por carga útil. [14]

Planta de energía nuclear Millstone [ editar ]

El 17 de abril de 2005, la planta de energía nuclear Millstone en Connecticut se cerró debido a una "falsa alarma" que indicaba una caída de presión peligrosa en el sistema de vapor del reactor cuando la presión del vapor era realmente nominal. La falsa alarma fue causada por un bigote de hojalata que cortocircuitó la placa lógica que era responsable de monitorear las líneas de presión de vapor en la planta de energía. [15]

Sensores de posición del acelerador de Toyota falso positivo [ editar ]

En septiembre de 2011, tres investigadores de la NASA afirmaron que los bigotes de estaño que identificaron en los sensores de posición del acelerador [16] de los modelos muestreados de Toyota Camry podrían contribuir a los choques de "acelerador atascado" que afectaron a ciertos modelos de Toyota durante 2005-2010. [17] Esto contradecía una investigación conjunta anterior de 10 meses realizada por la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA) y un gran grupo de otros investigadores de la NASA que no encontraron defectos electrónicos. [18]

Sin embargo, en 2012 la NHTSA sostuvo: "No creemos que los bigotes de estaño sean una explicación plausible para estos incidentes ... [la causa probable fue] la aplicación incorrecta del pedal ". [19]

Toyota también sostiene que los bigotes de hojalata no fueron la causa de ningún problema con el acelerador atascado: "En palabras del Secretario de Transporte de los Estados Unidos, Ray LaHood, 'El veredicto está en vigor. No hay una causa electrónica para la aceleración involuntaria de alta velocidad en Toyotas. . ' "de acuerdo con un comunicado de prensa Toyota, 'no datos indican que los filamentos de estaño son más propensos a ocurrir en vehículos de Toyota que cualquier otro vehículo en el mercado'. Toyota también afirma que "sus sistemas están diseñados para reducir el riesgo de que se formen bigotes de hojalata en primer lugar". [20]

Ver también [ editar ]

  • Bigote monocristalino
  • Dendrita (metal)
  • Crecimiento de cristales
  • Intermetálico de oro-aluminio
  • Impureza

Referencias [ editar ]

  1. ^ Lyudmyla Panashchenko. "Recubrimientos metálicos resistentes a los bigotes" (PDF) . NEPP NASA . Consultado el 23 de octubre de 2013 .
  2. ^ Craig Hillman; Gregg Kittlesen y Randy Schueller. "Un nuevo (mejor) enfoque para la mitigación del bigote de estaño" (PDF) . Soluciones DFR . Consultado el 23 de octubre de 2013 .
  3. ^ Sol, Yong; Hoffman, Elizabeth N .; Lam, Poh-Sang; Li, Xiaodong (2011). "Evaluación de la evolución de la deformación local a partir de la formación de bigotes metálicos" . Scripta Materialia . 65 (5): 388–391. doi : 10.1016 / j.scriptamat.2011.05.007 .
  4. ^ George T. Galyon. "Una historia de la teoría del bigote de hojalata: 1946 a 2004" (PDF) . iNEMI . Consultado el 21 de diciembre de 2012 .
  5. ^ "Efecto bigote" . INELCO . Consultado el 5 de enero de 2011 .
  6. ^ "Fallas inducidas por bigotes de zinc en sistemas electrónicos" . Tecnología ERA. Archivado desde el original el 16 de enero de 2013 . Consultado el 21 de diciembre de 2012 .
  7. ^ "Informe de notificación de eventos para el 12 de julio de 1999" . Comisión Reguladora Nuclear de EE . UU . Consultado el 21 de diciembre de 2012 .
  8. ^ "Asunto de ITG: bigotes de hojalata - problema, causas y soluciones" . Administración de Alimentos y Medicamentos. 1986-03-14. Archivado desde el original el 18 de octubre de 2007 . Consultado el 21 de diciembre de 2012 .
  9. ^ Jay Brusse; Henning Leidecker; Lyudmyla Panashchenko (5 de diciembre de 2007). "Bigotes de metal: modos de falla y estrategias de mitigación" (PDF) . NASA . Consultado el 21 de diciembre de 2012 .
  10. ^ "JEDEC e IPC lanzan pauta de prácticas de mitigación y estándar de pruebas de aceptación de bigotes de estaño" . JEDEC.org . 4 de mayo de 2006 . Consultado el 5 de enero de 2011 .
  11. ^ Alexander Teverovsky (abril de 2003). "Presentación de un nuevo miembro a la familia: Gold Whiskers" (PDF) . NASA . Consultado el 21 de diciembre de 2012 .
  12. ↑ a b John Burke (septiembre de 2010). "Tin Bigotes eliminados" .
  13. ^ Keun-Soo Kim, Suk-Sik Kim, Seong-Jun Kim, Katusaki Suganuma, ISIR, Universidad de Osaka, Masanobu Tsujimoto, Isamu Yanad, C.Uyemura & Co., Ltd., Prevención de la formación de bigotes de Sn mediante el tratamiento superficial de Sn plateado Parte II , Reunión anual de TMS, 2008
  14. ^ Felps, Bruce. " ' Bigotes' causó falla del satélite: interrupción de la galaxia IV atribuida al fenómeno interestelar" . Archivado desde el original el 3 de marzo de 2009 . Consultado el 19 de octubre de 2019 .
  15. ^ "Apagado del reactor: Dominion aprende una gran lección de un pequeño 'bigote de hojalata ' " (PDF) .
  16. ^ "Tratado" (PDF) . nepp.nasa.gov .
  17. ^ Bunkley, Nick (27 de marzo de 2018). "Toyota emite un segundo retiro del mercado sobre aceleradores" . NYTimes.com .
  18. ^ "Estudio de NHTSA-NASA de aceleración involuntaria en vehículos Toyota" . NHTSA . Consultado el 14 de noviembre de 2014 .
  19. ^ "NHTSA rechaza la teoría de los 'bigotes de estaño' para los incidentes de aceleración involuntarios de Toyota" . Noticias de automoción . Consultado el 14 de noviembre de 2014 .
  20. ^ " ' Tin Bigotes' y otras teorías desacreditadas de aceleración involuntaria" . Toyota. 24 de enero de 2012 . Consultado el 29 de septiembre de 2019 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Imágenes de bigotes plateados NASA