Så uppstår morrhåren som får satelliter att krascha

2019-03-06 06:00  

De har fått satelliter att krascha och kärnkraftverk att stänga ner. Morrhår på elektronikkretsar kan ställa till stora problem. Svensk forskning stärker nu teorin om hur de uppstår.

Whiskers, eller morrhår på svenska, är tunna hårliknande utväxter på tennbelagda elektronikkretsar. Växer sig morrhåret tillräckligt långt kan det komma i kontakt med en annan del av kretsen och orsaka kortslutning.

Det var till exempel ett morrhår som fick låg bakom satelliten Galaxy IV:s försvinnande 1998.

2005 stängdes kärnkraftverket Milestone i USA efter ett larm om tryckfall. Men orsaken visade sig vara kortslutning på grund av morrhår.

Ett omdebatterat exempel handlar om gaspedalsensorer på vissa Toyotamodeller. Efter flera krascher 2005–2010 där gasen låst sig hävdade Nasa att det berodde på morrhår. Toyota har dock envist motsatt sig den förklaringen och fått medhåll av den amerikanska trafiksäkerhetsmyndigheten NHTSA.

Bly minskar problemen – men är förbjudet

Morrhåren upptäcktes redan på 1950-talet. Att tillsätta bly i tennet anses minska uppkomsten. Men bly förbjöds som tillsats i tenn för elektronik i EU 2006. Sedan dess har intresset och forskningsinsatserna ökar, berättar Johan Hektor, forskare inom hållfasthetslära på Lunds Tekniska Högskola, LTH, som nyss har färdigställt avhandlingen Tin Whiskers: experiments and modelling.

Orsaken till att de uppstår har länge ansetts vara att spänningar byggs upp i materialet. Spänningarna får till slut tennet att expandera upp och ut från själva ytan.

Det Johan Hektor nu har kommit fram till, i samarbete med kolleger, är att morrhåren uppstår i samband med att tennet legerar sig med den underliggande kopparen. Legeringen Cu6Sn5 bildar en ny fas med annan densitet och volym.

– Volymändringen leder till att det byggs upp ett tryck i tennskiktet. Trycket driver diffusion av tenn mot whiskern, som därmed byggs upp nedifrån, säger han.

Använt sig av röntgendiffraktion

För att komma fram till den slutsatsen har han gjort röntgendiffraktionsexperiment med hjälp av synkrotronljuskällan vid anläggningen ESRF i franska Grenoble. ESRF liknar Max IV i Lund.

Själva provbiten som undersöktes i det enorma mikroskopet var av koppar belagd med ett tunt lager tenn, bara 5–6 mikrometer tjockt, det vill säga en tiondel av ett hårstrå. Den tunna tennfilmen läggs på koppar i elektronikkretsar för att skydda mot korrosion och för att man ska kunna löda fast komponenter.

– Vi fick vänta ett tag på att koppartennlegeringen och den nya fasen skulle bildas samt att morrhåren skulle växa till sig. Sedan röntgade vi provet och mätte hur röntgenstrålningen spreds. Beroende på hur kristallerna är orienterade får man olika diffraktionsmönster. Dessa använde vi för att bygga upp en 3d-bild av whiskern, beskriver Johan Hektor.

Läs mer: Apple och Huawei har nått drömgränsen med 7-nanometerchip – kan transistorer ens bli mindre nu?

Det går därefter att se dels hur kornen är orienterade och dels hur deformerad kornstrukturen är, vilket gör det möjligt att räkna ut trycket. Deformationen är ett resultat av volymförändringen som ju i sin tur uppstod när koppartennlegeringen bildades och ändrade fas.

– Att whiskers beror på spänningarna har länge varit hypotesen. Men det har inte funnits några bra experimentella bevis. Baserat på våra experiment verkar det som att teorin stämmer, säger Johan Hektor.

Vad mer behövs för att verkligen kunna slå fast att morrhåren beror på fasförändringen i blytennlegeringen?

– Vi har ju bara mätt en whisker. Man skulle kunna göra om vårt experiment många gånger för att på så sätt få fram ett statistiskt underlag. Men det har vi inte haft tid med, säger han.

Läs mer: Processorer i tre dimensioner – så ska Intel rädda Moores lag

Han påpekar att hans arbete inte handlar om att ta reda på hur man förhindrar att morrhåren uppstår utan att ta reda på orsaken till varför de bildas.

– Det behövs mer forskning för att hitta sätt att bli av med dem, säger han.

Efter att ha ägnat dig åt morrhår i flera år – är du oroliga för att de ska få konsekvenser i kritisk infrastruktur?

– Det är klart att det kan hända allvarliga saker. Men jag skulle inte säga att jag är orolig. Jag tror dessutom att det finns undantag för blyförbudet. Förhoppningsvis är risken för whiskers lägre i känsliga applikationer. Risken gäller nog främst konsumentelektronik, säger han.

Johan Hektor kommer nu att fortsätta sitt arbete vid synkrotronljusanläggningen Desy i Tyskland. Morrhåren lägger han dock bakom sig för tillfället för att i stället hjälpa andra forskare att utföra 3d-diffraktionsexperiment.

– Men kanske får jag lite tid att fortsätta undersöka whiskers. Det finns mycket kvar att göra, säger han.

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt