ابن زايو الدكتور رفيق عدو .. شوارب معدنية ميكرومترية تكلف خسائر بملايين الدولارات

الدكتور رفيق عدو / أمريكا

لوحظت ظاهرة تَكوُّن الشوارب المعدنية في مركبات الأجهزة و الدوائر الإلكترونية التي تستعمل أغطية معدنية رقيقة للطلاء و التغليف. حيث تظهر شعيرات رقيقة على شكل شوارب في الرقائق القصديرية (Sn)الدقيقة. لكن لم يتم الكشف عن هذه الشوارب حتى بداية القرن العشرين داخل أنابيب الفراغ. بعد ذلك تم الكشف على أنواع أخرى من الشوارب و خاصة المكونة من الكادميوم (Cd)و الزنك (Zn) . تتكون الشوارب المعدنية من خلال تنقل ذرات المعدن من داخل الرقيقة المعدنية عبر الشوائب المتواجدة فيها إلى أن تصل إلى السطح لتتكون نواة الشارب الذي ينمو عبر ذلك خارج الرقيقة. يتراوح قطر الشارب ما بين 1 إلى 5 ميكرومتر (أصغر 10-100 مرة من قطر شعرة الإنسان).و يتراوح معدل طول الشارب الواحد بين 1 و 500 ميكرومتر بسرعة نمو تقارب 250 ميكرومتر في السنة. أما الرقم القياسي لأطول شارب فقد وصل الى 25 ميليمتر. تظهر هذه الشوارب بعد فترة حضانة تتراوح بين بضع دقائق إلى بضع سنوات.

عندما تظهر هذه الشوارب فإنها تشكِّل خطراً على الدوائر الإلكترونية، الشوارب الطويلة قد تلمس و تحتك بالمركبات الموصلة المجاورة لتحدث جسر موصل الذي يؤدي إلى خطر التماس الكهربائي (قصر الدارة الكهربائية). هذه الظاهرة ليست بالجديدة، فأثناء الحرب العالمية الثانية تم اكتشاف شوارب الكادميوم في مكثفات راديو الإتصالات في إحدى الطائرات الحربية الأمريكية، وتم الكشف لاحقاً أن الشوارب المعدنية كانت سبباً في العطل الناتج عن قصر الدار الكهربائية. بعد نهاية الحرب العالمية الثانية تم استبدال مادة الكادميوم بالقصدير و الزنك، و لكن دون جدوى، فالشوارب تتشكّل أيضاً في هذه المعادن.

تسببت هاته الشعيرات الميكرومترية في خسائر بمئات ملايين الدولارات و قد تسبب في خسائر بملايير الدولارات إذا لم يتوصل الباحثون إلى حل فعال لهذه المشكلة. ظهور الشوارب المعدنية في الأجهزة الإلكترونية كان سبباً في إغلاق المفاعل النووي بكونتكت الأمريكية سنة 2005، و فقدان التحكم في القمر الإصطناعي غالاكسي 4 سنة 1998. كما أن أبحاث وكالة الناسا (NASA) أثبتت أن الشوارب القصديرية كانت سبباً في عطل أجهزة الإستشعار بالمسرعات في محركات تويوتا كامري بين 2005 و2010.

مجموعة من الأسئلة حول هذه الظاهرة تحتاج إلى إجابات و أبحاث عميقة و خاصة حول تحديد فترة الحضانة و عن سرعة النمو بالإضافة عن كيف يمكن الحد من نمو الشوارب؟

بيّنت أبحاث وكالة ناسا و معامل بيل (Bell Labs) أن إضافة فقط 1٪؜ من الرصاص إلى القصدير قد يضعف من نمو الشوارب و لكن لا يكبحها نهائياً. مع بداية القرن الواحد و العشرين و مع تفعيل قوانين دولية، خاصة في أوربا، لمنع استعمال الرصاص في الأجهزة الإلكترونية لخطورتها على صحة الإنسان، عادت مجددا الى الواجهة ظاهرة الشوارب المعدنية. و مع ذلك يفرض الجيش الأمريكي استعمال الرصاص مع الرقائق المعدنية للحد من نموها و خاصة في مجال الفضاء و الطيران.

لأنه لا أحد يعرف كيف تنمو هذه الشعيرات المعدنية، أصبح من الصعب التنبؤ بظهورها أو سرعة نموها. لا يوجد حل نهائي لتفادي نمو الشوارب، ولكن هناك بعض الحلول الجزئية للحد من “خطورتها” كإستعمال أشابات معدنية بدل معدن واحد أو اضافة طلاء من معادن أخرى كالذهب أو النيكل (Ni) أو من مواد أخرى كالسيليكون (Si) ، السيراميك، أو البوليمرات (Polymers).

المراجع
• https://nepp.nasa.gov/WHISKER/
• Spontaneous Growth of Metal Whiskers on Surfaces of Solids: A Review, P. Zhang, Y. Zhang, Z. Sun, Journal of Materials Science & Technology 31 (7) 675-698 (2015)
• J. R. Barnes, http://www.dbicorporation.com/whiskbib.htm Bibliography for Tin Whiskers, Zinc Whiskers, Cadmium Whiskers, Indium Whiskers, and Other Conductive Metal and Semiconductor Whiskers.
• Bruce Felps. ‘’Whiskers’ Caused Satellite Failure: Galaxy IV Outage Blamed On Interstellar Phenomenon”. Archived from the original on March 3, 2009. Retrieved 25 October 2013.