Riprendiamo e concludiamo con questo articolo l’approfondimento sul tema degli whiskers, iniziato con la pubblicazione della prima parte sul numero 694/2026 di Verniciatura Industriale.

Gli whiskers sono singoli filamenti che crescono nel tempo, soprattutto in caso di finiture superficiali di metallo depositato elettroliticamente. Sono tuttavia documentati anche casi di insorgenza di whiskers su depositi di metallo non per via elettrolitica. Spesso questi filamenti sono dritti, ma possono anche essere ricurvi o uncinati.
Queste strutture cristalline insorgono soprattutto quando il layer è di zinco o di stagno, metalli diffusamente utilizzati, ma sono stati documentati whiskers anche nel caso di altri metalli.
È bene chiarire fin da subito che gli whiskers non sono in genere il risultato di problemi di corrosione né di contaminazione.
La loro pericolosità è dovuta al fatto che, essendo conduttivi, possono creare corti circuiti o archi elettrici quando crescono per diversi millimetri e vanno a collegare elementi ravvicinati di circuiti elettrici, che non dovrebbero essere in contatto tra loro. Inoltre, se gli whiskers si rompono a causa di sollecitazioni o vibrazioni (pensiamo ad esempio a un lungo trasporto), possono migrare e causare problemi anche in zone lontane dal punto di origine: ciò rende ancora più complicato identificare le cause del guasto.
I danni da essi provocati possono essere ingenti: basti pensare che sono state documentate failures di satelliti commerciali in orbita o richiami massivi di pacemaker! Ma il problema è così diffuso che è stato riscontrato su orologi da polso piuttosto che reattori, per non parlare di componenti realizzati con l’ausilio di leghe saldanti di stagno.
In generale, non è affatto facile ricondurre apparenti fenomeni anomali (da piccoli corti circuiti intermittenti a bug definitivi) alla crescita degli whiskers, soprattutto quando non si ha una conoscenza approfondita di questo tema complesso, che richiede l’analisi da parte di tecnici competenti. Inoltre, i problemi possono comparire anche anni dopo la messa in esercizio del prodotto finito, seppur posizionato in ambienti non corrosivi né sottoposti a condizioni climatiche estreme. Tutto ciò può portare in primo luogo a cercare la causa del guasto in un componente difettoso piuttosto che in queste piccole estroflessioni.
Il rischio di problemi da whiskers è ovviamente acuito dalla tendenza alla miniaturizzazione dei circuiti, per cui lo spazio tra componenti che non dovrebbero toccarsi è estremamente ridotto. Inoltre, per ragioni ben comprensibili, in questi anni nei componenti elettronici l’utilizzo del piombo è stato bandito dalla direttiva RoHS, salvo le eccezioni ammesse. Questo ha fatto sì che i depositi di stagno puro, più soggetti al rischio whiskers, si siano maggiormente diffusi, con conseguente riduzione dell’affidabilità dei componenti stessi.
In questo articolo cercheremo di fare il punto sul fenomeno: quali sono le cause ed è possibile evitare o perlomeno rallentare la crescita di questi filamenti?

FATTORI CHE PROVOCANO LE ESTROFLESSIONI DI METALLO

Sebbene non esista una teoria univoca e definitiva, le cause dell’insorgenza e della successiva crescita degli whiskers sembrano essere spesso legate a micro-tensioni all’interno del layer di metallo di finitura, soprattutto quando viene depositato per via elettrolitica. Ma queste tensioni possono anche provenire da pressioni esterne e persino il substrato può avere la sua importanza, soprattutto quando tende a diffondere nel coating superficiale. In presenza di tensioni interne, gli atomi di metallo tendono a migrare verso la superficie, dove la tensione è inferiore, generando queste pericolose estroflessioni.
La composizione del bagno di deposizione elettrolitica e il processo stesso possono influenzare la crescita degli whiskers. A deposito completato, anche un’eventuale pressione esercitata su di esso può avere effetti dannosi.
Inoltre, il fatto che molti dispositivi contenenti rivestimenti finali di stagno o zinco siano normalmente installati in ambienti al riparo da temperature basse oppure torride, paradossalmente potrebbe fungere da incubatrice per la crescita dei filamenti di whiskers.

POTENZIALI RIMEDI AL PROBLEMA DEGLI WHISKERS

Resta ora il quesito più importante: è possibile evitare o perlomeno rallentare la crescita di questi filamenti?
La risposta a questa semplice domanda è articolata: non risultano infatti al momento azioni correttive che diano certezza assoluta di eliminare il problema.
È possibile però mettere in atto azioni di contenimento, che ne riducano il rischio. Esse sono diverse a seconda dello stadio in cui vengono applicate: in fase di progettazione, di produzione, di stoccaggio e messa in esercizio oppure a posteriori, una volta che il problema è stato osservato e dev’essere eliminato.
In fase progettuale, è sicuramente utile usare alcune leghe di stagno invece di stagno puro oppure sostituire depositi di stagno o di zinco con altri metalli meno propensi alla formazione di questi microcristalli. Un’altra possibilità è quella di massimizzare la distanza tra i conduttori, in modo che non ci sia contatto tra whiskers anche nel caso in cui si formino.
Ma se non ci sono alternative all’uso di stagno puro, è bene mettere in atto tutte le strategie possibili per ridurre al massimo il rischio di tensionamenti durante il processo di deposito, in tutte le sue fasi, a cominciare dalla chimica dei bagni.
Altra opzione che potrebbe rallentare i problemi di corto circuito è quella di applicare un sottostrato con funzione barriera oppure un rivestimento polimerico sopra lo stagno.
Quando invece si agisce a posteriori, se a seguito di un guasto è stata effettuata un’adeguata ispezione che abbia dimostrato la presenza di queste strutture microcristalline, ove possibile è suggeribile una loro rimozione immediata mediante spazzole di materiale non conduttivo e successiva aspirazione del materiale rimosso. Questa operazione è opportuna solo nei casi in cui i componenti difettosi possano essere estratti dal prodotto finito o isolati dall’ambiente circostante, per evitare che il pulviscolo che la spazzolatura genera vada a creare danni ulteriori.

CONCLUSIONI

Concludendo, per limitare al massimo i danni causati da whiskers è fondamentale che la progettazione e la produzione di componenti con layer di metallo sia fatta tenendo conto di questi piccoli ma estremamente insidiosi microcristalli. Prevenirli è meglio che curarli!

UNA TAVOLA ROTONDA SULL’ARGOMENTO

Se gli articoli sul tema degli whiskers sono stati di vostro interesse e volete approfondire adeguatamente la trattazione, contattate La Rivista del Colore a redazione@larivistadelcolore.com. Abbiamo in preparazione una tavola rotonda sull’argomento.

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