Short Diam: Mengapa Whiskers Timbal Berkembang Biak dalam Elektronik Konsumsi Berdaya Rendah

Sebuah produk yang dirancang untuk umur panjang dan tenang duduk di rak, menyedot miliamp dari baterai. Ini adalah sensor, pemantau, bagian dari infrastruktur yang dimaksudkan untuk dipasang dan dilupakan, beroperasi di ruangan yang dikondisikan dengan suhu sekitar nyaman 30°C. Bertahun-tahun kemudian, itu gagal tanpa peringatan. Penyerangnya bukanlah komponen yang rusak atau bug perangkat lunak. Itu adalah filamen logam mikroskopis yang tumbuh diam-diam seiring waktu, menciptakan hubungan pendek di tempat yang seharusnya tidak ada.

Ini adalah kenyataan yang frustrasi bagi insinyur. Kebijaksanaan konvensional menyatakan bahwa whisker timah—struktur kristal yang konduktif secara listrik yang menonjol dari permukaan berlapis timah—adalah masalah di lingkungan dengan stres tinggi. Namun kita melihat mereka menyebabkan kegagalan laten di aplikasi yang paling tidak berbahaya: jalur listrik yang selalu aktif, daya rendah pada papan yang tidak pernah mengalami kejutan termal atau mekanis yang signifikan. Lingkungan yang tenang ini, suhu kamar, bukanlah zona aman. Ini adalah inkubator yang sempurna untuk mode kegagalan yang licik ini.

Memahami Musuh: Natur Tidak Terduga dari Whisker Timah

Whisker timah bukan produk korosi atau kontaminasi. Mereka adalah manifestasi fisika, tumbuh langsung dari permukaan berlapis itu sendiri.

Apa Itu Kumis Timah dan Bagaimana Mereka Membentuk?

Sejenis sisik timah adalah pertumbuhan spontan yang menyerupai rambut dari timah monokristalin. Filamen-filamen ini dapat tumbuh beberapa milimeter panjangnya tetapi hanya berdiameter beberapa mikrometer. Meskipun ukurannya kecil, mereka cukup kuat untuk menyalurkan beberapa ampere arus sebelum meleleh, yang merupakan ancaman signifikan dalam elektronik modern di mana jarak antar komponen diukur dalam mil. Mereka tumbuh secara tidak terduga selama berbulan-bulan atau bertahun-tahun, menciptakan risiko laten korsleting antara pad, jejak, atau kaki komponen yang berdekatan.

Peran Tekanan Kompresi sebagai Mesin Pertumbuhan

Penggerak utama pertumbuhan whisker timah adalah tekanan kompresi di dalam lapisan timah. Tekanan ini bisa berasal dari proses pelapisan itu sendiri, dari stres yang diinduksi oleh substrat tembaga yang mendasarinya, atau dari kekuatan mekanis eksternal. Untuk mengurangi tekanan internal ini, lapisan timah mencari jalur paling sedikit resistansi. Alih-alih deformasi secara seragam, ia mengeluarkan material di titik-titik lemah dalam struktur butirnya. Migrasi atom ini, didorong oleh energi tersimpan dari tekanan kompresi, menghasilkan erupsi perlahan dan terus-menerus dari whisker.

Tipu Muslihat 30°C: Badai Sempurna untuk Pembentukan Whisker

Kesalahpahaman paling berbahaya adalah bahwa kurangnya suhu ekstrem atau stres mekanis sama dengan lingkungan risiko rendah. Untuk perangkat tidur berdaya rendah, kebalikannya seringkali benar. Kondisi suhu kamar yang stabil sekitar 30°C (86°F) menciptakan “titik manis” yang sangat berbahaya untuk pertumbuhan whisker.

Mengapa Suhu Kamar Bukan ‘Zona Aman’

Pembentukan kumis adalah pertempuran antara tegangan kompresif dan mobilitas atom yang dibutuhkan agar atom dapat berpindah. Pada suhu yang sangat rendah, mobilitas atom terlalu rendah untuk kumis tumbuh, bahkan jika tegangan ada. Pada suhu yang sangat tinggi (di atas 100°C), lapisan tim dapat secara efektif melakukan annealing sendiri, meredakan tegangan melalui rekristalisasi sebelum kumis dapat terbentuk.

Rentang 30°C hingga 50°C adalah zona bahaya. Ini menyediakan energi termal yang cukup untuk memberi atom timah mobilitas yang mereka butuhkan untuk bermigrasi dan membentuk whisker, tetapi tidak cukup panas untuk mengurangi stres kompresi mendasar di lapisan. Lingkungan ini cukup aktif untuk mendukung pertumbuhan tetapi terlalu pasif untuk memicu relaksasi stres alami.

Bagaimana Keadaan ‘Selalu Aktif’ dengan Arus Rendah Membuat Kondisi Ideal

Rangka sirkuit hemat daya yang selalu aktif turut memberi kontribusi pada badai sempurna ini. Berbeda dengan rangkaian daya tinggi yang menghasilkan panas yang signifikan dan menciptakan siklus termal mereka sendiri, jaringan "sleeper" ini menyediakan energi termal tingkat rendah secara konstan yang menjaga papan dalam suhu pertumbuhan kumis yang ideal. Tidak ada ayunan suhu yang signifikan untuk membantu mendistribusikan stres, hanya keadaan stabil yang memungkinkan proses pembentukan kumis yang lambat dan sistematis berlangsung tanpa gangguan selama bertahun-tahun.

Faktor Penentu: Memilih Sistem Pelapisan yang Tahan terhadap Whisker

Meskipun faktor desain dapat membantu, pilihan akhir dari finis permukaan adalah keputusan paling penting yang dapat dibuat seorang insinyur untuk mengurangi risiko kumis timah. Tidak boleh ada kompromi di sini untuk produk yang memerlukan umur layanan yang panjang.

Kegagalan Finishing Timah Murni

Mengikuti regulasi RoHS, finis timah murni menjadi pengganti umum dan berbiaya rendah untuk solder berbasis timah. Untuk aplikasi keandalan tinggi, ini adalah kesalahan. Timah murni, terutama timah cerah dengan struktur butir yang halus dan stres internal yang tinggi dari proses plating, sangat rentan terhadap pembentukan kumis. Setiap desain yang menentukan finis timah murni untuk produk umur panjang menyematkan mode kegagalan laten dari awal.

Solusi yang Kami Anjurkan: Timah Matte, Lapisan Bawah Nikel, dan Anneal

Sistem multi-bagian adalah satu-satunya pertahanan yang dapat diandalkan. Kami sangat menyarankan lapisan finis yang terdiri dari timah matte dilapiskan di atas lapisan bawah nikel, diikuti oleh proses annealing pasca-plating.

Setiap komponen memiliki fungsi penting. Timah matte memiliki struktur butir yang lebih besar dan stres internal yang lebih rendah secara inheren daripada timah cerah, mengurangi kekuatan pendorong utama pertumbuhan kumis. Lapisan bawah nikel berfungsi sebagai penghalang penting, mencegah pembentukan senyawa intermetallic tembaga-timah (IMC)—sumber utama stres kompresif. Akhirnya, anneal pasca-plating, biasanya memanggang papan pada 150°C selama satu jam, melepaskan stres internal yang tersisa dari proses plating itu sendiri.

Menilai Pertahanan Sekunder dan Kesalahpahaman Umum

Meskipun plating adalah pertahanan utama, strategi lain sering dibahas. Sangat penting untuk memahami batasannya dan tidak menyalahartikan mereka sebagai solusi lengkap.

Batasan Pelapis Konformal terhadap Penetrasi Kumis

Kepercayaan umum adalah bahwa pelapis konformal dapat dengan mudah menahan kumis yang terbentuk. Ini adalah asumsi yang berbahaya. Kumis yang tumbuh memberikan tekanan signifikan di ujungnya dan akan menembus banyak jenis lapisan lunak dari waktu ke waktu. Bahkan jika tidak menembus lapisan tersebut, kumis dapat tumbuh di bawahnya, mendorongnya ke atas, atau menemukan jalannya melalui area berpori. Meskipun lapisan keras tebal seperti epoksi mungkin menawarkan beberapa resistansi, ini seharusnya tidak pernah menjadi strategi mitigasi utama. Ini adalah pertahanan sekunder, paling tidak.

Peran Pendukung dari Jalur Penjaga dan Jarak Strategis

Praktik desain yang baik dapat mengurangi konsekuensi dari kumis, bahkan jika tidak dapat mencegah pembentukannya. Memaksimalkan jarak antar konduktor, terutama untuk komponen pitch halus, membuatnya lebih sulit bagi kumis untuk menjembatani celah. Untuk jaringan kritis, mengaplikasikan jalur penjaga yang di-ground dapat memberikan jalur aman ke tanah, berpotensi mencegah hubungan pendek antara dua sinyal aktif. Ini adalah teknik pengurangan risiko yang berguna, tetapi tidak mengatasi penyebab utama.

Panduan Pragmatik untuk Keandalan Jangka Panjang

Mencegah kegagalan lapangan diam-diam akibat kumis timah bukanlah masalah keberuntungan; ini adalah masalah rekayasa yang disengaja. Buku pedoman sangat sederhana: tangani penyebab utama, bukan gejalanya. Keputusan paling penting dibuat pada tahap pembuatan, jauh sebelum komponen dipasang.

Untuk produk apa pun yang harus beroperasi dengan tenang dan andal selama bertahun-tahun, finis permukaan adalah yang terpenting. Sistem yang menggunakan timah matte dengan lapisan bawah nikel dan siklus anneal yang tepat adalah strategi paling efektif yang tersedia. Mengandalkan timah murni adalah risiko yang tidak dapat diterima. Percaya bahwa pelapis konformal akan menyelamatkan pilihan plating yang buruk adalah resep untuk kegagalan. Jalur penjaga dan jarak membantu, tetapi pilihan plating yang tepat adalah yang memastikan umur panjang dan tenang.