Morrhår av tenn kortsluter satelliter och pacemakers

Satelliter, bilar, pacemakers och kärnkraftverk drabbas av tenn-whiskers. Morrhår av tenn. De riskerar att kortslutas, liksom datorer och andra elektronikprodukter. I en ny avhandling presenteras en förklaring: morrhåren börjar växa när kopparatomer förenas med tennatomer på kretskortet. Förhoppningsvis kan kunskapen bidra till att lösa ett problem som kostar många miljarder varje år.

– Publicerad den 5 mars 2019

Tinn-whiskers är morrhår av tenn, några hundradelar av bredden av ett hårstrå men flera millimeter långa.

Johan Hektors avhandling i hållfasthetslära vid LTH belyser de elakartade morrhåren på mikronivå. Han varnar för ökade problem med whiskers i framtiden eftersom elektronikkomponenter blir allt vanligare och mindre.

På NASA:s hemsida finns åtta uppräknade satelliter som har slutat att fungera på grund av whiskers. Toyota-modeller med sensorer för acceleration har också drabbats. Whiskers slår ut pacemakers och andra medicintekniska produkter, datorer och mobiltelefoner. I USA har flera kärnkraftverk fått driftstopp. Forskare i framförallt USA, Kina, Japan och Sydkorea lägger stora resurser på att lösa problemet.

Kostar miljarder
Det såldes konsumentelektronik för 319 miljarder dollar 2017, enligt The CEA (Consumer Electronics Association). Elva procent av undersökta komponenter hade whiskers.

– Om det är ett ungefärligt riktmärke förekommer whiskers i elektronik för 35 miljarder dollar bara från år 2017. Dessa siffror gäller konsumentelektronik, sen tillkommer alla övriga sektorer som satelliter och kärnkraftverk. Man kan nog med säkerhet säga att whiskers orsakar problem för många miljarder kronor.

Johan Hektors arbete tar forskningen ett steg närmare målet att slutligen raka bort alla morrhår genom en grundläggande forskning om varför de bildas.

Han visar processen genom att teckna ett kretskort med dess strömledande mönster av koppar under ett lager av skyddande tenn:

– I gränsskiktet mellan metallerna går sex kopparatomer och fem tennatomer samman och bildar ett nytt ämne. Då sker en volymförändring i tennskiktet och spänningar får fina morrhår att börjar växa, några hundradelar av bredden av ett hårstrå men flera millimeter långa, säger Johan Hektor.

Om ett morrhår nuddar vid ett annat tar strömmen vägen via de nybildade bryggorna med kortslutning som följd.

Forskningen har länge anat vad som driver på processen. Johan Hektor kommer med de experimentella bevisen på att whiskers växer på grund av spänningsskillnader i tennlagret.

3D-bild
Han har använt synkrotonljuskällan vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble och belyst tenn-whiskers i sin omgivning av tenn och koppar.

– Största nyheten med våra experiment är att vi har byggt upp en tredimensionell bild av hur mikrostrukturen ser ut, var atomerna befinner sig i olika skeden när whiskers växer fram.

I vår flyttar Johan Hektor till Hamburg. Där ska han arbeta vidare på samma tema vid Tysklands Max IV, DESY - Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Fakta morrhår
Fenomenet observerades för första gången strax efter andra världskriget. Whiskers påträffades i radioutrustningar med lödningar av tenn. En blandning av bly och tenn fixade problemet fram till början av 2000-talet, då blyet förbjöds av miljöhänsyn.

Länk till avhandling: "Tin whiskers: experiments and modelling" http://portal.research.lu.se/portal/files/55623549/kappa.pdf


Text: Stefan Danielsson