Whiskers: piccoli e all’apparenza insignificanti filamenti di metallo, che possono in realtà produrre effetti devastanti. Chi ha avuto modo di imbattersi in loro e di “conoscerli” sa che hanno provocato seri problemi persino alla Nasa! Stando con i piedi per terra, la loro insorgenza anche in altri ambiti può avere gravi effetti. Insomma, meglio provare a prevenirli.
Inizia con questo primo articolo la collaborazione con Verniciatura Industriale di Maria Rosa Spini, chimico industriale, ingegnere dei sistemi vernicianti, esperta nella gestione di laboratori materiali, consulente e docente nella formazione tecnica del personale di laboratorio e dei trattamenti delle superfici.
WHIKERS: DI COSA SI TRATTA E PERCHÉ POSSONO PROVOCARE DANNI DI PORTATA ENORME
Iniziamo dalla definizione: gli whiskers sono letteralmente dei minuscoli baffi di metallo, filamenti molto sottili che tendono a crescere nel tempo. In molti casi compaiono su depositi di metallo applicati su un altro substrato. Sono insidiosi proprio perché in genere non sono presenti al termine del processo di deposito del layer, quindi nella maggior parte dei casi non sono rilevabili in fase di controllo, prima della vendita, installazione e messa in esercizio del componente su cui in seguito cresceranno. Al contrario, in alcuni casi la cinetica di crescita è talmente lenta che gli effetti si manifestano dopo anni, se non decenni, dalla messa in funzione dei dispositivi. Inoltre, anche qualora comparissero in tempi rapidi, considerate le dimensioni ridotte, sono difficilmente identificabili ad un semplice controllo visivo, se non è mirato alla loro ricerca.
Queste strutture cristalline possono avere dimensioni diverse: il loro diametro talvolta è inferiore ad 1 µm (ma può raggiungere alcuni micron) e la loro lunghezza può arrivare a qualche millimetro. È possibile trovarli su depositi di molteplici metalli, ma un rischio elevato di insorgenza di whiskers si ha in presenza di zinco o di stagno, in particolare quando depositati elettroliticamente.
APPROFONDIMENTO SUI PROCESSI DI DEPOSIZIONE ELETTROLITICA
A tutti sarà capitato di tenere in mano una collana o un altro oggetto “placcato”, ossia realizzato con un materiale di base e rivestito con un altro. Ciò è possibile grazie ai processi elettrolitici, che sono una vastissima famiglia di trattamenti di superficie. Consistono nel depositare sottili strati di metallo o di leghe metalliche applicando corrente elettrica in una soluzione di ioni disciolti all’interno di una cella contenente un anodo e un catodo. Qui hanno luogo reazioni di ossido-riduzione tali per cui il materiale che si vuole depositare, che si trova disciolto sotto forma di ione positivo, viene attratto dall’oggetto da rivestire (catodo), andando così a depositarsi sotto forma di layer metallico aderente. La funzione di anodo è svolta o dal metallo stesso che si vuole depositare (e che man mano dallo stato solido passa in soluzione) oppure da un metallo inerte, che serve per completare il circuito elettrico.
Il componente da rivestire può essere di metallo o di altro materiale reso conduttivo previo deposito chimico di un substrato conduttivo (ecco perché anche alcuni materiali plastici possono essere rivestiti elettroliticamente). Questi processi consentono di ottenere dei rivestimenti funzionali, come la zincatura su acciaio, o estetici (per esempio, doratura, argentatura). Sui coating depositati elettroliticamente può poi essere effettuato uno dei tanti trattamenti di finitura disponibili, ad esempio una verniciatura protettiva.
PROCESSI ELETTROLITICI E WHISKERS
Come detto, gli whiskers sono singoli filamenti di metallo che crescono nel tempo, in particolare, ma non esclusivamente, proprio quando il metallo è depositato elettroliticamente.
Esempi tipici sono whiskers da rivestimenti di zinco (pensate a quanti manufatti di acciaio zincato esistono nel mondo) o da depositi di stagno, metallo anch’esso diffusamente utilizzato.
Sebbene siano stati identificati già intorno al 1940 e analizzati anche da grandi società e consorzi di aziende, con investimenti ingenti di tempo e denaro, ad oggi non esiste una teoria unica e incontrovertibile che spieghi cause, cinetica e dimensioni del fenomeno. Il fatto che gli whiskers possano o meno insorgere e quando questo potrebbe avvenire non è infatti prevedibile, un po’ come accade per i movimenti tellurici! Si sa che questi filamenti potrebbero generarsi e che determinati parametri possono accelerarne l’insorgenza, ma poco di più.
Tutto ciò ovviamente li rende da un lato estremamente critici e dall’altro un affascinante argomento di studio.
PERCHÉ GLI WHISKERS SONO POTENZIALMENTE MOLTO PERICOLOSI
La ragione sta nel fatto che, essendo di metallo, sono conduttivi. Pertanto possono generare corti circuiti, transitori o permanenti, o archi elettrici. Man mano che crescono, essi possono toccarsi tra loro o andare a collegare conduttori isolati, creando connessioni elettriche indesiderate e dannose.
Tutto ciò è estremamente grave nel caso di dispositivi elettronici, che sono ampiamente diffusi in campo aereospaziale, medicale e così via. Sono infatti documentati danni, anche di ingente portata, su satelliti, missili, centrali nucleari, pacemaker, radar, server, router ed altri dispositivi elettronici.
Pertanto, quando capitano anomali corti circuiti (anche intermittenti) senza ragioni apparenti, se di mezzo ci sono componenti rivestiti con zinco o stagno è bene pensare che tra le possibili ragioni ci potrebbero essere i piccoli ma temibili whiskers. In tal caso è consigliabile andare ad analizzare opportunamente i componenti che potrebbero averli generati e vedere se effettivamente sono comparse queste strutture cristalline.
Siete curiosi di sapere se è possibile prevenirli e in che modo? Non perdetevi il prossimo articolo che pubblicheremo sul tema!
