ウィスカー（冶金）
表面実装抵抗器から銀ウィスカーが生えている

金属ウィスカは、電気機器で金属が時間の経過とともに長いウィスカのような突起を形成するときに発生する現象です。錫ウィスカは、 20世紀初頭の真空管時代の電子機器で、純粋またはほぼ純粋な錫はんだを使用して製造された機器で確認され、記録されています。金属はんだパッドの間に小さな金属の毛またはひげが成長し、ショートを引き起こすことが確認されました。金属ウィスカは圧縮応力があると形成されます。ゲルマニウム、亜鉛、カドミウム、さらには鉛のウィスカも記録されています。[ 1 ]この問題を軽減するために、アニール処理（加熱と冷却）の変更、銅やニッケルなどの元素の追加、コンフォーマルコーティングの組み込みなど、多くの技術が使用されています。[ 2 ]

従来、錫ベースのはんだにおけるウィスカーの成長を遅らせるために鉛が添加されてきました。欧州連合（EU）は、鉛に関連する健康問題と「ハイテクゴミ」問題を受けて、有害物質使用制限指令（RoHS）に基づき、 2006年からほとんどの消費者向け電子機器製品における鉛の使用を禁止しました。これにより、鉛フリーはんだにおけるウィスカー形成の問題が再び注目を集めるようになりました。

機構

電子部品のはんだ付けに使われる錫の顕微鏡写真。ウィスカーが見える。

金属ウィスカーとは、金属表面から微細な糸状の毛が自然発生する結晶冶金現象です。この現象は主に単体金属で見られますが、合金でも発生します。

金属ウィスカーの成長メカニズムは物理学では未解決の問題ですが、次のような圧縮機械的応力によって促進されるようです。

  • 電界中の金属フィラメントの静電分極によって得られるエネルギー[ 3 ] [ 4 ]
  • 電気めっきによる残留応力、
  • 機械的に誘発される応力
  • 異なる金属の拡散によって誘発される応力、
  • 熱誘起応力、および
  • 材料のひずみ勾配[ 5 ]

金属ウィスカーは金属デンドライトとはいくつかの点で異なります。デンドライトはシダのような形状で金属表面に沿って成長するのに対し、金属ウィスカーは髪の毛のような形状で表面に対して垂直に突出します。デンドライトの成長には、金属イオン溶液中に金属を溶解できる水分が必要です。金属イオンはその後、電磁場の存在下でエレクトロマイグレーションによって再分配されます。ウィスカー形成の正確なメカニズムは未だ解明されていませんが、ウィスカー形成には金属の溶解や電磁場の存在 は必要ないことが分かっています。

効果

亜鉛メッキ鋼板上のミリメートル長の亜鉛ウィスカー

ウィスカは電気機器の短絡やアーク放電を引き起こす可能性があります。この現象は1940年代後半に電話会社によって発見され、後に錫はんだに鉛を添加することで軽減できることが分かりました。 [ 6 ] 2006年7月1日に発効した欧州有害物質使用制限指令（RoHS）は、様々な種類の電子・電気機器における鉛の使用を制限しました。これにより、ウィスカの発生防止に重点を置いた鉛フリー合金の使用が促進されました。また、ウィスカの発生を防ぐための酸素バリアコーティングの開発にも注力しています。[ 7 ]

空気中に浮遊する亜鉛ウィスカは、コンピュータサーバールームにおけるシステム障害率の上昇の原因となっている。亜鉛ウィスカは、亜鉛メッキ（電気メッキ）された金属表面から、直径数マイクロメートルの亜鉛ウィスカが最大1ミリメートル/年の速度で成長する。ウィスカは、フリーアクセスフロアの亜鉛電気メッキ床タイルの裏面に発生することがある。これらのウィスカは、タイルが動かされた際に（通常はメンテナンス時）、床プレナム内に空気中に浮遊する。ウィスカはエアフィルタを通過できるほど小さく、機器内部に付着してショートやシステム障害を引き起こす可能性がある。[ 8 ]

錫ウィスカは、通常、短絡を引き起こす可能性のある環境、つまり電子機器自体で既に直接成長しているため、空気中に浮遊していなくても機器に損傷を与えます。6 ギガヘルツを超える周波数または高速デジタル回路では、錫ウィスカは小型アンテナのように動作し、回路インピーダンスに影響を与えて反射を引き起こします。コンピュータのディスクドライブでは、錫ウィスカが折れてヘッドクラッシュやベアリング故障を引き起こす可能性があります。[ 9 ] 錫ウィスカはリレーの故障の原因となることが多く、原子力施設の故障したリレーの調査で発見されています。 [ 10 ]ペースメーカーが錫ウィスカのためにリコールされたことがあります。[ 11 ]研究では、真空中（宇宙など）での錫ウィスカの特定の故障モードも特定されており、高出力部品では、短絡した錫ウィスカがプラズマにイオン化されて数百アンペアの電流を流せるようになり、短絡による損傷の影響が大幅に増大します。[ 12 ] RoHS指令 により電子機器における純スズの使用が増加する可能性があることから、電子デバイス技術協議会（JEDEC）と電子業界団体IPCは、鉛フリー製品におけるスズウィスカのリスクをメーカーが軽減できるようにするために、スズウィスカ受け入れ試験規格と軽減対策ガイドラインを発表しました。[ 13 ]

銀ウィスカは、硫化水素を多く含み湿度の高い雰囲気下で稼働する銀電気接点の表面に形成される硫化銀層と相まって発生することがよくあります。このような雰囲気は、下水処理場や製紙工場などに存在することがあります。

長さ20 マイクロメートル（μm）を超えるウィスカーが金メッキ表面で観察され、2003年のNASAの内部メモに記載されました。[ 14 ]

緩和と排除

ウィスカーの成長を軽減または除去するためにいくつかのアプローチが使用されており、この分野では研究が進行中です。

コンフォーマルコーティング

コンフォーマル複合コーティングはウィスカーがバリアを貫通して近くの終端に到達し、短絡を形成するのを防ぎます。[ 12 ]

めっき化学の変更

ニッケル、金、パラジウムなどの端子仕上げは、管理された試験においてウィスカー形成を排除することが示されている。[ 15 ]

錫ウィスカーの例と事例

ギャラクシーIV

ギャラクシーIVは、1998年に錫ウィスカによる短絡で故障し、行方不明となった通信衛星です。当初は宇宙天候が原因と考えられていましたが、後にコンフォーマルコーティングの施工ミスが原因で、純錫メッキにウィスカが発生し、コーティングが剥がれた箇所を通り抜けて主制御コンピュータの故障を引き起こしたことが判明しました。製造元のヒューズ社は、ウィスカ発生のリスクを軽減するため、錫メッキからニッケルメッキに変更しました。その代償として重量が増加し、ペイロード1基あたり50～100キログラム（110～220ポンド）増加しました。[ 16 ]

ミルストーン原子力発電所

2005年4月17日、コネチカット州のミルストーン原子力発電所は、原子炉蒸気系統の圧力低下が実際には正常であったにもかかわらず、安全基準を逸脱したと報じる「誤報」により停止しました。この誤報は、発電所内の蒸気圧力ラインを監視するロジックボードを短絡させた錫ウィスカが原因でした。[ 17 ]

トヨタのアクセルポジションセンサーの誤検知

2011年9月、NASAの調査官3名は、サンプルとして採取したトヨタ・カムリのアクセルポジションセンサー[ 18 ]に錫ウィスカーが付着しているのを発見したと主張した。これは、2005年から2010年にかけて一部のトヨタ車に発生した「アクセルの固着」事故の原因となった可能性がある。[ 19 ]これは、米国道路交通安全局（NHTSA）とNASAの他の大規模な研究者グループが10ヶ月間にわたって行った共同調査で電子的な欠陥は発見されなかったことと矛盾している。[ 20 ]

2012年にNHTSAは「錫ウィスカーがこれらの事故の原因であるとは考えにくい…（おそらく原因は）ペダルの踏み間違いである」と主張した。[ 21 ]

トヨタはまた、錫ウィスカがアクセルの固着問題の原因ではないと主張している。「米国運輸長官レイ・ラフードの言葉を借りれば、『結論は出た。トヨタ車の意図しない高速加速は、電子的な原因によるものではない。以上だ』」トヨタのプレスリリースによると、「トヨタ車が他の市販車よりも錫ウィスカが発生しやすいことを示すデータは存在しない」とのことだ。また、トヨタは「そもそも錫ウィスカが発生するリスクを低減するようにシステムが設計されている」と述べている。[ 22 ]

参照

ウィキメディア コモンズには、ウィスカー (金属)に関連するメディアがあります。

参考文献

  1. ^ Lyudmyla Panashchenko. 「ウィスカー耐性金属コーティング」（PDF） . NEPP NASA . 2013年10月23日閲覧。
  2. ^ Craig Hillman、Gregg Kittlesen、Randy Schueller. 「錫ウィスカー抑制への新たな（より良い）アプローチ」（PDF） . DFR Solutions . 2013年10月23日閲覧。
  3. ^ Karpov, VG (2014-05-15). 「金属ウィスカーの静電理論」 . Physical Review Applied . 1 (4) 044001. arXiv : 1401.7689 . Bibcode : 2014PhRvP...1d4001K . doi : 10.1103/PhysRevApplied.1.044001 . S2CID 118446963 . 
  4. ^ボッラ、ヴァムシ;イタプ、スリカント。カルポフ、ビクター G。ゲオルギエフ、ダニエル G. (2022-02-01)。「表面プラズモンポラリトン励起によるスズ（Sn）金属表面の修飾」。スクリプトマテリア。208 114357.arXiv : 2310.18495。​土井：10.1016/j.scriptamat.2021.114357。ISSN 1359-6462。S2CID 240093482。  
  5. ^ Sun, Yong; Hoffman, Elizabeth N.; Lam, Poh-Sang; Li, Xiaodong (2011). 「金属ウィスカー形成による局所ひずみ進展の評価」 . Scripta Materialia . 65 (5): 388– 391. doi : 10.1016/j.scriptamat.2011.05.007 .
  6. ^ George T. Galyon. 「錫ウィスカー理論の歴史：1946年から2004年」（PDF） . iNEMI . 2012年12月21日閲覧。
  7. ^ 「ウィスカー効果」 INELCO 2008年9月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年1月5日閲覧。
  8. ^ Brusse, Jay (2003年4月2日). 「亜鉛ウィスカー。亜鉛ウィスカーは電子機器に影響を与える可能性があるか？」(PDF) . NASA . 2022年12月24日閲覧。
  9. ^ Quinnell, Richard (2005年9月1日). 「錫ウィスカー試験への取り組み」 EDN . 2022年12月25日閲覧。
  10. ^ 「1999年7月12日の事象通知報告書」米国原子力規制委員会。 2012年12月21日閲覧。
  11. ^ 「ITG Subject: Tin Whiskers – Problem, Causes, and Solutions」 . 食品医薬品局. 1986年3月14日. 2007年10月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年12月21日閲覧。
  12. ^ a b Jay Brusse、Henning Leidecker、Lyudmyla Panashchenko (2007年12月5日). 「金属ウィスカ：故障モードと緩和戦略」(PDF) . NASA . 2012年12月21日閲覧。
  13. ^ 「JEDECとIPCが錫ウィスカ受け入れ試験規格と緩和策ガイドラインを発表」 JEDEC.org 2006年5月4日. 2011年1月5日閲覧。
  14. ^ Alexander Teverovsky (2003年4月). 「Introducing a New Member to the Family: Gold Whiskers」(PDF) . NASA . 2012年12月21日閲覧。
  15. ^キム・グンス、キム・スクシク、キム・ソンジュン、菅沼勝明、大阪大学産業科学研究所、辻本昌伸、ヤナド勇、上村製作所、錫めっきの表面処理による錫ウィスカー形成の防止 パートII、東京機械学会年次大会、2008年
  16. ^フェルプス、ブルース。「『ウィスカー』が衛星故障の原因：ギャラクシーIVの停止は星間現象のせい」。2009年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年10月19日閲覧。
  17. ^ 「原子炉停止：ドミニオンは小さな「錫のウィスカー」から大きな教訓を学ぶ」（PDF）。
  18. ^ 「論文」（PDF） . nepp.nasa.gov .
  19. ^バンクリー、ニック（2018年3月27日）「トヨタ、加速装置に関する2度目のリコールを発表」ニューヨーク・タイムズ。
  20. ^ 「米国運輸省、NHTSAとNASAによるトヨタ車の意図しない加速に関する調査結果を発表」 nhtsa.gov。2016年12月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年7月28日閲覧。
  21. ^ 「NHTSA、トヨタの意図しない加速事故の原因を『錫ウィスカー』説と認めず」『オートモーティブ・ニュース』 2012年7月27日。 2014年11月14日閲覧。
  22. ^ "「『錫ウィスカー』とその他の信用できない意図しない加速理論」トヨタ、2012年1月24日。 2019年9月29日閲覧。
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