זיף מתכתי
זיף מתכתי (באנגלית: Metal Whisker) הוא תופעה המתרחשת במכשירים חשמליים כאשר מתכות יוצרות בליטות ארוכות דמויות זיפים לאורך זמן. זיף בדיל נצפה ותועד בעידן שפופרות הוואקום של האלקטרוניקה בתחילת המאה ה-20 בציוד שהשתמש בהלחמת בדיל טהורה, או כמעט טהורה בייצורו. נצפה ששערות מתכת קטנות או קנוקנות גדלו בין רפידות הלחמה ממתכת, וגרמו לקצרים חשמליים. זיף מתכתי נוצר בנוכחות מאמץ דחיסה. זיפי גרמניום, אבץ, קדמיום עופרת תועדו אף הם[1]. טכניקות רבות משמשות כדי להפחית את הבעיה, כולל שינויים בתהליך החישול (חימום וקירור), הוספת יסודות כמו נחושת וניקל, ויישום ציפויים קונפורמיים.
באופן מסורתי, עופרת נוספה כדי להאט את צמיחת הזיפים בחומרי הלחמה מבוססי בדיל. בעקבות הוראת הגבלת חומרים מסוכנים (RoHS), האיחוד האירופי אסר על השימוש בעופרת ברוב מוצרי האלקטרוניקה הצרכנית החל משנת 2006 עקב בעיות בריאותיות הקשורות לעופרת ובעיית "אשפה טכנולוגית מתקדמת", מה שהוביל להתמקדות מחודשת בנושא היווצרות הזיפים בחומרי הלחמה נטולי עופרת .
מנגנון פעולה
[עריכת קוד מקור | עריכה]
זיף מתכתי הוא תופעה מטלורגית גבישית הכוללת צמיחה ספונטנית של שערות זעירות ממשטח מתכתי. ההשפעה נראית בעיקר על מתכות יסודיות אך מתרחשת גם עם סגסוגות .
המנגנון שמאחורי צמיחת זיף מתכתי הוא בעיה לא פתורה בפיזיקה, אך נראה שהוא מעודד על ידי מאמצים מכניים דחיסיים, כולל:
- אנרגיה המופקת עקב קיטוב אלקטרוסטטי של סיבים מתכתיים בשדה החשמלי[2][3].
- מתחים שיוריים הנגרמים על ידי ציפוי אלקטרוליטי,
- מתחים המושרים מכנית,
- מתחים הנגרמים על ידי דיפוזיה של מתכות שונות,
- מתחים המושרים תרמית, ו
- גרדיאנטים של מאמץ בחומרים[4].
זיף מתכתי שונה מדנדריטים מתכתיים בכמה היבטים: דנדריטים הם בצורת שרך וגדלים על פני המתכת, בעוד שזיף מתכתי הוא דמוי שערה ובולט בניצב לפני השטח. צמיחת דנדריטים דורשת לחות המסוגלת להמיס את המתכת לתמיסה של יוני מתכת, אשר לאחר מכן מתפזרים מחדש על ידי אלקטרומיגרציה בנוכחות שדה אלקטרומגנטי. בעוד שהמנגנון המדויק להיווצרות זיף נותר לא ידוע, ידוע כי היווצרות זיף אינה דורשת המסה של המתכת או נוכחות של שדה אלקטרומגנטי.
תופעות
[עריכת קוד מקור | עריכה]
זיף יכול לגרום לקצרים חשמליים וליצירת קשתות בציוד חשמלי. התופעה התגלתה על ידי חברות טלפון בסוף שנות ה-40 ומאוחר יותר התגלה כי תוספת עופרת להלחמת בדיל סיפקה הפחתה[5]. ההנחיה האירופית להגבלת חומרים מסוכנים (RoHS), שנכנסה לתוקף ב-1 ביולי 2006, הגבילה את השימוש בעופרת בסוגים שונים של ציוד אלקטרוני וחשמלי. עובדה זו הובילה לשימוש בסגסוגות נטולות עופרת תוך התמקדות במניעת היווצרות זיף.
זיף אבץ הנישא באוויר אחראי לעלייה בשיעורי כשל מערכות בחדרי שרתי מחשבים. זיף אבץ גדל ממשטחי מתכת מגולוונים (מצופים אלקטרוליטיים) בקצב של עד מילימטר בשנה בקוטר של כמה מיקרומטרים. זיף יכול להיווצר בחלק התחתון של אריחי רצפה מצופים אבץ אלקטרוליטיים על רצפות מוגבהות. זיף זה יכול לאחר מכן להתפשט באוויר בתוך רצפת הרצפה כאשר האריחים מופרעים, בדרך כלל במהלך תחזוקה. זיף יכול להיות קטן מספיק כדי לעבור דרך מסנני אוויר ויכול לשקוע בתוך ציוד, וכתוצאה מכך לגרום לקצרים ולכשל מערכת[6].
זיף בדיל אינו חייב להיות באוויר כדי לפגוע בציוד, מכיוון שהוא בדרך כלל כבר גדל ישירות בסביבה שבה הוא יכול לייצר קצר חשמלי, כלומר, בציוד האלקטרוני עצמו. בתדרים מעל 6 בגיגה-הרץ או במעגלים דיגיטליים מהירים, זיף בדיל יכול לפעול כמו אנטנות מיניאטוריות, להשפיע על עכבת המעגל ולגרום להשתקפויות. בכונני דיסקים של מחשבים הם יכולים להישבר ולגרום לקריסות ראש או לכשלים במסבים[7]. זיף בדיל גורם לעיתים קרובות לכשלים בממסרים ונמצא בבדיקת ממסרים כושלים במתקני כוח גרעיניים[8]. קוצבי לב הוחזרו ליצרן (Recall) עקב זיף בדיל[9]. מחקרים זיהו גם מצב כשל מסוים עבור זיף בדיל בוואקום (כגון בחלל), שבו ברכיבים בעלי הספק גבוה, זיף בדיל מקצר מיונן לפלזמה המסוגלת להוליך מאות אמפר של זרם, מה שמגדיל באופן דרמטי את ההשפעה המזיקה של הקצר[10]. העלייה האפשרית בשימוש בבדיל טהור באלקטרוניקה עקב הנחיית RoHS הניעה את המועצה המשותפת להנדסת התקני אלקטרונים (JEDEC) ואת איגוד הסחר האלקטרוני IPC לפרסם תקן לבדיקת קבלה של זיף בדיל והנחיות לשיטות הפחתה שמטרתן לסייע ליצרנים להפחית את הסיכון לזיפי בדיל במוצרים נטולי עופרת[11].
זיפי כסף מופיעים לעיתים קרובות יחד עם שכבה של גופרתי כסף, אשר נוצרת על פני השטח של מגעים חשמליים מכסף הפועלים באטמוספירה עשירה במימן גופרתי ולחות גבוהה. אטמוספירות כאלה יכולות להתקיים במתקני טיהור שפכים ובמפעלי נייר .
זיף מעל 20 מיקרומטרים (μm) באורך נצפו על משטחים מצופים זהב וצוינו בתזכיר פנימי של נאס"א משנת 2003[12].
הפחתה וסילוק
[עריכת קוד מקור | עריכה]ישנן מספר גישות משמשות להפחתה או לבטלה של צמיחת זיפים, כאשר מחקר מתמשך בתחום.
ציפויים קונפורמיים
[עריכת קוד מקור | עריכה]ציפויים מורכבים קונפורמיים מונעים מהזיף לחדור מחסום, להגיע לקצה סמוך וליצור קצר.
שינוי הכימיה של הציפוי
[עריכת קוד מקור | עריכה]גימורי סיום של ניקל, זהב או פלדיום הוכחו כמבטלים היווצרות זיף בניסויים מבוקרים.
דוגמאות ואירועים של זיפי בדיל
[עריכת קוד מקור | עריכה]גלקסי 4
[עריכת קוד מקור | עריכה]גלקסי 4 היה לוויין תקשורת שהושבת ואבד עקב קצר חשמלי שנגרם על ידי זיף בדיל בשנת 1998. בתחילה חשבו שמזג האוויר בחלל תרם לכשל, אך מאוחר יותר התגלה שציפוי קונפורמי יושם בצורה שגויה, מה שאפשר לזיף להיווצר בציפוי הבדיל הטהור, למצוא את דרכו דרך אזור ציפוי חסר ולגרום לכשל במחשב הבקרה הראשי. היצרן, יוז, עבר לציפוי ניקל, במקום בדיל, כדי להפחית את הסיכון לצמיחת זיף. הפשרה הייתה עלייה במשקל, שהוסיפה 50 עד 100 קילוגרם (110 עד 220 ליברות) לכל מטען[13].
תחנת הכוח הגרעינית מילסטון
[עריכת קוד מקור | עריכה]ב-17 באפריל 2005, תחנת הכוח הגרעינית מילסטון בקונטיקט נסגרה עקב "אזעקת שווא" שהצביעה על ירידת לחץ לא בטוחה במערכת הקיטור של הכור, כאשר לחץ הקיטור היה למעשה נומינלי. אזעקת השווא נגרמה עקב זיף בדיל שקיצר את לוח הלוגיקה האחראי על ניטור קווי לחץ הקיטור בתחנת הכוח[14].
חיישני מיקום דוושת הגז של טויוטה חיוביים כוזבים
[עריכת קוד מקור | עריכה]בספטמבר 2011, שלושה חוקרי נאס"א טענו כי זיהו זיף בדיל על חיישני מיקום דוושת הגז[15]. של דגמי טויוטה קאמרי שנבדקו, אשר עלולים לתרום לתאונות "דוושת גז תקוע" שפגעו בדגמי טויוטה מסוימים במהלך 2005–2010[16]. ממצא זה סתר חקירה משותפת קודמת בת 10 חודשים של המינהל הלאומי לבטיחות בדרכים (NHTSA) וקבוצה גדולה של חוקרי נאס"א אחרים, שלא מצאה פגמים אלקטרוניים[17].
בשנת 2012, טענה NHTSA: "איננו מאמינים שזיף בדיל הוא הסבר סביר לתקריות אלה... [הסיבה הסבירה הייתה] שימוש לא נכון בדוושות"[18].
טויוטה טוענת גם כי זיפי בדיל לא היו הגורם לבעיות תקוע בגז הגז: "במילותיו של שר התחבורה האמריקאי ריי להוד, 'פסק הדין ניתן. אין סיבה אלקטרונית לתאוצה לא מכוונת במהירות גבוהה בטויוטות. נקודה. ' על פי הודעה לעיתונות של טויוטה, "אין נתונים המצביעים על כך שזיפי בדיל נוטים יותר להופיע ברכבי טויוטה מאשר בכל רכב אחר בשוק". טויוטה מצהירה גם כי "המערכות שלהן נועדו להפחית את הסיכון להיווצרות זיפי בדיל מלכתחילה"[19].
קישורים חיצוניים
[עריכת קוד מקור | עריכה]
- תמונות של זיפי כסף של נאס"א
הערות שוליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]- ↑ Lyudmyla Panashchenko. "Whisker Resistant Metal Coatings" (PDF). NEPP NASA.
- ↑ Karpov, V. G. (2014-05-15). "Electrostatic Theory of Metal Whiskers". Physical Review Applied. 1 (4). arXiv:1401.7689. Bibcode:2014PhRvP...1d4001K. doi:10.1103/PhysRevApplied.1.044001.
- ↑ Borra, Vamsi; Itapu, Srikanth; Karpov, Victor G.; Georgiev, Daniel G. (2022-02-01). "Modification of Tin (Sn) metal surfaces by surface plasmon polariton excitation". Scripta Materialia (באנגלית). 208. arXiv:2310.18495. doi:10.1016/j.scriptamat.2021.114357. ISSN 1359-6462.
- ↑ Sun, Yong; Hoffman, Elizabeth N.; Lam, Poh-Sang; Li, Xiaodong (2011). "Evaluation of local strain evolution from metallic whisker formation". Scripta Materialia. 65 (5): 388–391. doi:10.1016/j.scriptamat.2011.05.007.
- ↑ George T. Galyon. "A History of Tin Whisker Theory: 1946 to 2004" (PDF). iNEMI.
- ↑ Brusse, Jay (2 באפריל 2003). "Zinc Whiskers. Could Zinc Whiskers Be Impacting Your Electronics?" (PDF). NASA.
- ↑ Quinnell, Richard (2005-09-01). "Tackling tin whisker test". EDN (באנגלית אמריקאית).
- ↑ "Event Notification Report for July 12, 1999". U.S. Nuclear Regulatory Commission.
- ↑ "ITG Subject: Tin Whiskers – Problem, Causes, and Solutions". Food and Drug Administration. 1986-03-14. אורכב מ-המקור ב-18 באוקטובר 2007.
- ↑ Jay Brusse; Henning Leidecker; Lyudmyla Panashchenko (5 בדצמבר 2007). "Metal Whiskers: Failure Modes and Mitigation Strategies" (PDF). NASA.
- ↑ "JEDEC and IPC Release Tin Whisker Acceptance Testing Standard and Mitigation Practices Guideline". JEDEC.org. 4 במאי 2006.
- ↑ Alexander Teverovsky (באפריל 2003). "Introducing a New Member to the Family: Gold Whiskers" (PDF). NASA.
- ↑ Felps, Bruce. "'Whiskers' Caused Satellite Failure: Galaxy IV Outage Blamed On Interstellar Phenomenon". אורכב מ-המקור ב-3 במרץ 2009.
- ↑ "Reactor Shutdown: Dominion Learns Big Lesson From A Tiny 'tin Whisker'" (PDF).
- ↑ "Treatise" (PDF). nepp.nasa.gov.
- ↑ Bunkley, Nick (27 במרץ 2018). "Toyota Issues a 2nd Recall Over Accelerators". The New York Times.
- ↑ "U.S. Department of Transportation Releases Results from NHTSA-NASA Study of Unintended Acceleration in Toyota Vehicles". nhtsa.gov. אורכב מ-המקור ב-23 דצמ' 2016.
- ↑ "NHTSA rejects 'tin whiskers' theory for Toyota's unintended acceleration incidents". Automotive News. 27 ביולי 2012.
- ↑ "'Tin Whiskers' and Other Discredited Unintended Acceleration Theories". Toyota. 24 בינואר 2012.
