El bigote metálico es un fenómeno que ocurre en los dispositivos eléctricos cuando los metales forman largas proyecciones similares a bigotes con el tiempo. Los bigotes de estaño se notaron y documentaron en la era de los tubos de vacío de la electrónica a principios del siglo XX en equipos que usaban soldadura de estaño pura o casi pura en su producción. Se notó que pequeños pelos o zarcillos de metal crecían entre las almohadillas de soldadura de metal, lo que causaba cortocircuitos . Los bigotes de metal se forman en presencia de tensión de compresión. Se han documentado bigotes de germanio , zinc , cadmio e incluso plomo . [1] Se utilizan muchas técnicas para mitigar el problema, incluidos cambios en el proceso de recocido (calentamiento y enfriamiento), la adición de elementos como cobre y níquel y la inclusión de recubrimientos conformados . [2] Tradicionalmente, se ha agregado plomo para ralentizar el crecimiento de los bigotes en las soldaduras a base de estaño.
A raíz de la Directiva de restricción de sustancias peligrosas (RoHS), la Unión Europea prohibió el uso de plomo en la mayoría de los productos electrónicos de consumo a partir de 2006 debido a los problemas de salud asociados con el plomo y al problema de la "basura de alta tecnología", lo que llevó a volver a centrarse en el problema de la formación de bigotes en las soldaduras sin plomo .
El bigote metálico es un fenómeno metalúrgico cristalino que implica el crecimiento espontáneo de diminutos pelos filiformes a partir de una superficie metálica . El efecto se observa principalmente en metales elementales , pero también ocurre con aleaciones .
El mecanismo detrás del crecimiento de los bigotes de metal no se entiende bien , pero parece ser estimulado por tensiones mecánicas de compresión que incluyen:
Los bigotes metálicos se diferencian de las dendritas metálicas en varios aspectos: las dendritas tienen forma de helecho y crecen a lo largo de la superficie del metal, mientras que los bigotes metálicos son similares a pelos y se proyectan de forma normal a la superficie. El crecimiento de las dendritas requiere humedad capaz de disolver el metal en una solución de iones metálicos, que luego se redistribuyen por electromigración en presencia de un campo electromagnético . Si bien el mecanismo preciso para la formación de los bigotes sigue siendo desconocido, se sabe que la formación de los bigotes no requiere ni la disolución del metal ni la presencia de un campo electromagnético.
Los filamentos de plomo pueden provocar cortocircuitos y arcos eléctricos en los equipos eléctricos. Las compañías telefónicas descubrieron el fenómeno a finales de los años 40 y, posteriormente, se descubrió que la adición de plomo a la soldadura de estaño proporcionaba una mitigación. [6] La Directiva europea sobre restricción de sustancias peligrosas (RoHS), que entró en vigor el 1 de julio de 2006, restringió el uso de plomo en varios tipos de equipos electrónicos y eléctricos. Esto ha impulsado el uso de aleaciones sin plomo con el objetivo de prevenir la formación de filamentos de plomo . Otros se han centrado en el desarrollo de recubrimientos de barrera de oxígeno para prevenir la formación de filamentos de plomo. [7]
Las partículas de zinc en suspensión en el aire han sido responsables del aumento de las tasas de fallos de los sistemas en las salas de servidores informáticos . Las partículas de zinc crecen a partir de superficies metálicas galvanizadas (electroenchapadas) a una velocidad de hasta un milímetro por año con un diámetro de unos pocos micrómetros. Las partículas pueden formarse en la parte inferior de las baldosas galvanizadas del suelo en suelos elevados. Estas partículas pueden luego quedar suspendidas en el aire dentro del recinto del suelo cuando se tocan las baldosas, normalmente durante el mantenimiento. Las partículas pueden ser lo suficientemente pequeñas como para pasar a través de los filtros de aire y pueden asentarse dentro del equipo, lo que provoca cortocircuitos y fallos del sistema. [8]
Los bigotes de estaño no tienen que estar en el aire para dañar el equipo, ya que normalmente ya están creciendo directamente en el entorno donde pueden producir cortocircuitos, es decir, el propio equipo electrónico. A frecuencias superiores a 6 GHz o en circuitos digitales rápidos, los bigotes de estaño pueden actuar como antenas en miniatura , afectando a la impedancia del circuito y provocando reflexiones. En las unidades de disco de ordenador pueden romperse y provocar choques de cabezales o fallos en los cojinetes. [9] Los bigotes de estaño suelen provocar fallos en los relés y se han encontrado al examinar relés averiados en instalaciones de energía nuclear . [10] Se han retirado del mercado marcapasos debido a los bigotes de estaño. [11] La investigación también ha identificado un modo de fallo particular para los bigotes de estaño en el vacío (como en el espacio), donde en los componentes de alta potencia un bigote de estaño en cortocircuito se ioniza en un plasma que es capaz de conducir cientos de amperios de corriente, aumentando masivamente el efecto dañino del cortocircuito. [12] El posible aumento en el uso de estaño puro en productos electrónicos debido a la directiva RoHS impulsó a JEDEC e IPC a publicar un estándar de pruebas de aceptación de filamentos de estaño y una guía de prácticas de mitigación destinadas a ayudar a los fabricantes a reducir el riesgo de filamentos de estaño en productos sin plomo. [13]
Los bigotes de plata suelen aparecer junto con una capa de sulfuro de plata , que se forma en la superficie de los contactos eléctricos de plata que funcionan en una atmósfera rica en sulfuro de hidrógeno y alta humedad . Tales atmósferas pueden existir en plantas de tratamiento de aguas residuales y fábricas de papel .
Se observaron bigotes de más de 20 μm de longitud en superficies bañadas en oro y se anotaron en un memorando interno de la NASA de 2003. [14]
Los efectos del efecto bigotes de metal fueron relatados en el programa Engineering Disasters 19 del History Channel. [15]
Se utilizan varios enfoques para reducir o eliminar el crecimiento de los bigotes y actualmente se están realizando investigaciones en ese área.
Los recubrimientos compuestos conformes impiden que los filamentos penetren una barrera, lleguen a una terminación cercana y formen un cortocircuito. [12]
Se ha demostrado en ensayos controlados que los acabados de níquel, oro o paladio eliminan la formación de bigotes. [16]
El Galaxy IV era un satélite de telecomunicaciones que se desactivó y se perdió debido a cortocircuitos provocados por filamentos de estaño en 1998. Inicialmente se pensó que el clima espacial contribuyó a la falla, pero más tarde se descubrió que se había aplicado incorrectamente un revestimiento de conformación, lo que permitió que los filamentos formados en el revestimiento de estaño puro encontraran su camino a través de un área de revestimiento faltante, lo que provocó un fallo en la computadora de control principal. El fabricante, Hughes, ha pasado al revestimiento de níquel, en lugar de estaño, para reducir el riesgo de crecimiento de filamentos. La contrapartida ha sido un aumento de peso, agregando de 50 a 100 kilogramos (110 a 220 libras) por carga útil. [17]
El 17 de abril de 2005, la central nuclear de Millstone, en Connecticut, fue cerrada debido a una "falsa alarma" que indicaba una caída de presión peligrosa en el sistema de vapor del reactor cuando la presión de vapor era en realidad nominal. La falsa alarma fue causada por un filamento de estaño que provocó un cortocircuito en la placa lógica encargada de controlar las líneas de presión de vapor en la central. [18]
En septiembre de 2011, tres investigadores de la NASA afirmaron que habían identificado filamentos de estaño en los sensores de posición del acelerador [19] de modelos Toyota Camry muestreados que podrían contribuir a los accidentes por "acelerador atascado" que afectaron a ciertos modelos Toyota entre 2005 y 2010. [20] Esto contradecía una investigación conjunta anterior de 10 meses realizada por la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA) y un gran grupo de otros investigadores de la NASA que no encontraron defectos electrónicos. [21]
En 2012, la NHTSA sostuvo: "No creemos que los bigotes de estaño sean una explicación plausible para estos incidentes... [la causa probable fue] la mala aplicación del pedal ". [22]
Toyota también sostiene que los filamentos de estaño no fueron la causa de los problemas de atascamiento del acelerador: "En palabras del Secretario de Transporte de los EE. UU. Ray LaHood, 'El veredicto ha sido emitido. No hay ninguna causa basada en la electrónica para la aceleración involuntaria a alta velocidad en los Toyota. Punto ' ". Según un comunicado de prensa de Toyota, "no hay datos que indiquen que los filamentos de estaño sean más propensos a aparecer en los vehículos Toyota que en cualquier otro vehículo del mercado". Toyota también afirma que "sus sistemas están diseñados para reducir el riesgo de que se formen filamentos de estaño en primer lugar". [23]
