ウィスカー（冶金）

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。スズウィスカは、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スズはんだを使用して製造された機器で確認され、文書化されています。金属はんだパッドの間に小さな金属の毛または巻きひげが成長し、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文書化されています。^[1]問題を緩和するために、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追加など、多くの技術が使用されています。^[2]伝統的に、スズベースのはんだのウィスカの成長を遅らせるために鉛が添加されてきました。

欧州連合は、鉛に関連する健康問題と「ハイテクゴミ」問題のため、有害物質の使用制限指令（RoHS）に従い、2006年からほとんどの消費者向け電子製品での鉛の使用を禁止し、鉛フリーはんだにおけるウィスカー形成の問題に再び焦点を当てるようになりました。

機構

金属ウィスカーとは、金属表面から小さな糸状の毛が自然に成長する結晶冶金現象です。この現象は主に元素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のメカニズムは十分に解明されていませんが、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ストレス、
異なる金属の拡散によって生じる応力、
熱による応力、および
材料のひずみ勾配^[5]

金属ウィスカーは金属樹枝状結晶とはいくつかの点で異なります。樹枝状結晶はシダの形をしており、金属の表面全体に成長しますが、金属ウィスカーは髪の毛のような形をしており、表面に対して垂直に突出します。樹枝状結晶の成長には、金属を溶解して金属イオンの溶液にすることができる水分が必要です。その後、金属イオンは電磁場の存在下で電気移動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不明ですが、ウィスカー形成には金属の溶解も電磁場の存在も必要ないことがわかっています。

効果

ウィスカーは電気機器のショート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加えることで緩和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制限指令（RoHS）は、さまざまな種類の電子および電気機器での鉛の使用を制限しました。これにより、ウィスカー形成の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（§ 緩和と排除を参照）。ウィスカー形成を防ぐための酸素バリアコーティングの開発に重点を置いた人もいます。^[7]

空気中の亜鉛ウィスカは、コンピュータサーバールームのシステム障害率の増加の原因となっています。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、直径が数マイクロメートルで、年間最大1ミリメートルの速度で成長します。ウィスカは、上げ床の亜鉛電気メッキ床タイルの裏側に形成されることがあります。これらのウィスカは、タイルが動かされたとき（通常はメンテナンス中）に床プレナム内で空気中に浮遊することがあります。ウィスカはエアフィルターを通過できるほど小さく、機器内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ります。 ^[8]

錫ウィスカは、機器を損傷するために空気中に浮遊している必要はありません。通常、錫ウィスカは、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直接成長しているからです。6GHz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機能し、回路インピーダンスに影響を与え、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}リレーの故障を引き起こすことが多く、原子力施設の故障したリレーの検査で発見されています。^[10] ペースメーカーは錫ウィスカのためにリコールされています。^[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、高出力コンポーネントでは、短絡した錫ウィスカがプラズマにイオン化され、数百アンペアの電流を伝導できるため、短絡の損傷効果が大幅に増加します。^[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、 JEDECと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のスズウィスカ受け入れ試験規格と緩和対策ガイドラインを発表しました。^[13]

銀ウィスカは、硫化水素と高湿度の雰囲気中で動作する銀電気接点の表面に形成される硫化銀層と関連して現れることが多く、このような雰囲気は下水処理場や製紙工場に存在することがあります。

長さ20μm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]

金属ウィスカーの影響はヒストリーチャンネルの番組「エンジニアリング災害19」で記録された。 ^[15]

緩和と排除

ウィスカーの成長を軽減または排除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、パラジウムの端子仕上げは、制御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。^[16]

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年にスズウィスカによるショートが原因で故障し、行方不明となった通信衛星である。当初は宇宙天気が故障の原因と考えられていたが、後にコンフォーマルコーティングが誤って塗布され、純スズメッキで形成されたウィスカがコーティングされていない領域を通り抜け、メイン制御コンピュータの故障を引き起こしたことが判明した。製造業者のヒューズはウィスカ成長のリスクを減らすためにスズではなくニッケルメッキに変更した。その代償として重量が増加し、ペイロード1つあたり50～100キログラム（110～220ポンド）増加した。^[17]

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、原子炉の蒸気システムで実際には蒸気圧が正常であったにもかかわらず、危険な圧力低下を知らせる「誤報」により停止した。この誤報は、発電所の蒸気圧ラインを監視するロジックボードを短絡させたスズウィスカによって引き起こされた。^[18]

トヨタのアクセルポジションセンサー誤検知

2011年9月、NASAの調査官3人が、トヨタ・カムリのサンプルモデルのアクセルポジションセンサー^[19]に錫ウィスカーを発見し、これが2005年から2010年にかけてトヨタの特定のモデルで発生した「アクセルの固着」事故の原因となった可能性があると主張した。^{[20]これは、}米国道路交通安全局（NHTSA）と他のNASA研究者の大規模なグループによる10か月にわたる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。^[21]

2012年、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られない...[おそらく原因は]ペダルの踏み間違いである」と主張した。^[22]

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、『判決は下された。トヨタ車の意図しない高速加速の原因は電子的要因ではない。以上』」トヨタのプレスリリースによると、「錫ウィスカがトヨタ車で他のどの市場車よりも発生しやすいことを示すデータはない」。トヨタはまた、「そもそも錫ウィスカが発生するリスクを減らすようにシステムが設計されている」と述べている。^[23]

参照

参考文献

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外部リンク

銀色のひげの画像 NASA

[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。「錫ウィスカー軽減への新しい（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.

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[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.

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