Zinn-Whisker: was sie sind und wie sich das Risiko verringern lässt
Zinn-Whisker (engl. tin whiskers) sind hauchdünne metallische Fäden, die spontan auf verzinnten Oberflächen wachsen können, auch noch nach Monaten oder Jahren. Mit der Umstellung auf bleifrei sind sie in der Elektronik zu einem Zuverlässigkeitsthema geworden. Dieser Leitfaden erklärt, woher sie kommen und welche Maßnahmen das Risiko verringern.
Dickmann Srl · aktualisiert am
Was sind Whisker
Ein Whisker ist ein fadenförmiger Zinn-Einkristall mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern und einer Länge, die Millimeter erreichen kann. Er wächst von der Oberfläche nach außen, ohne dass Strom oder Feuchtigkeit nötig sind. Das Risiko ist elektrischer Natur: Ein Whisker kann einen Kurzschluss zwischen benachbarten Leitern verursachen, zum Beispiel zwischen den Anschlüssen eines Fine-Pitch-Bauteils.
Wo und warum sie wachsen
Das Phänomen betrifft vor allem galvanische Reinzinn-Oberflächen auf Bauteilen, Steckverbindern und Anschlüssen, weniger die Lötstellen. Hauptursache ist die Druckspannung in der Zinnschicht, die das Metall abbaut, indem es die Fäden nach außen schiebt.
| Spannungsquelle | Beispiel |
|---|---|
| Wachstum intermetallischer Phasen | Zwischen Zinn und Kupfersubstrat, die sich auch bei Raumtemperatur langsam bilden |
| Mechanische Spannung | Druck auf Einpresssteckverbinder, Biegen der Anschlüsse |
| Temperaturwechsel | Unterschiedliche Wärmeausdehnung von Zinn und Substrat |
| Korrosion und Oxidation | Feuchte oder aggressive Umgebungen |
| Art der Abscheidung | Glanzzinn-Oberflächen mit feiner Körnung und organischen Rückständen |
So verringern Sie das Risiko
Zur Bewertung von Oberflächen nutzt die Industrie spezifische Prüfverfahren und Akzeptanzkriterien, etwa die der JEDEC-Normen zu Whiskern: Kritische Anwendungen sind gemeinsam mit dem Bauteillieferanten zu qualifizieren.
- Mattzinn- statt Glanzzinn-Oberflächen.
- Nickel-Zwischenschicht zwischen Kupfer und Zinn, die die Bildung intermetallischer Phasen verlangsamt.
- Wärmebehandlungen nach der Abscheidung, gemäß den Spezifikationen des galvanischen Prozesses.
- Umschmelzen der Oberfläche, das ihre Struktur verändert.
- Schutzlackierung (Conformal Coating) der Baugruppen, die Wachstum und Kontakt der Fäden behindert.
- Bei von der RoHS ausgenommenen Anwendungen geringe Bleizusätze in der Oberfläche.
Und die Lötstellen?
Lotlegierungen wie SAC305 oder Sn99.3Cu0.7 sind viel weniger anfällig für Whisker als Reinzinn-Oberflächen, weil ihr Gefüge und die darin enthaltenen Phasen die inneren Spannungen verringern. Das Risiko ist vor allem bei den Oberflächen der Bauteile zu bewerten. Für die galvanische Verzinnung siehe die Reinzinn-Anoden; für Lotlegierungen die bleifreien Legierungen.