Die Bildung von sog. Whiskern (engl. whisker: Barthaar, Schnurrhaar) ist ein mögliches Problem bei der Verzinnung von Kupferdrähten. Als Whisker bezeichnet man sehr feine Zinn-Einkristalle mit einem Durchmesser von bis zu 1 µm und teilweise mehreren Millimetern Länge, die sich auf der Oberfläche spontan ausbilden können. Das Wachstum dieser Einkristalle ist diffusionskontrolliert und erfolgt teilweise extrem langsam, so dass sie sich beispielsweise im Verlauf von einigen Jahren ausbilden können. Gerade bei den immer kleiner werdenden Abständen der Kontakte in der Elektrotechnik kann das Ausbilden schon relativ kleiner Whisker einen Kurzschluss zur Folge haben.
Die Bedingungen, unter denen sich Whisker bilden, waren und sind Thema verschiedener Abhandlungen. Dabei hat sich gezeigt, dass glänzende, matte und angeschmolzene Zinnschichten ein unterschiedliches Whiskerwachstum aufweisen. Auch die Zusammensetzung des zur Abscheidung verwendeten Elektrolyten hat einen Einfluss auf die Ausbildung der Einkristalle. Dabei ist die Gefahr der Whiskerbildung bei galvanisch abgeschiedenen und anschließend angeschmolzenen Reinzinnschichten am geringsten, bei galvanisch abgeschiedenen, matten Schichten gering und bei glänzenden Schichten am stärksten.
Dieser Abstufung gegenüber stehen jedoch die Anforderungen der Elektronikindustrie, die abriebbeständige Schichten mit einer geringen Tendenz zum Kaltverschweißen fordert. Auch wird die Kantenflucht bei umgeschmolzenen Steckverbindern aufgrund möglicher Korrosionsprobleme nicht immer akzeptiert. Hier ist besonders in den letzten Jahren eine verstärkte Nachfrage nach glänzenden Schichten festzustellen, bei der letztendlich wohl auch dekorative Aspekte eine Rolle spielen.
Aufgrund ihres optisch höherwertigen Eindrucks sind besonders im Bereich der Steckverbinder glänzende Reinzinnschichten von steigender Bedeutung. Dabei wird die Gefahr der Whiskerbildung entweder akzeptiert oder das Problem als beherrschbar angesehen.
Whisker entwickeln sich unter dem Einfluss mechanischer Kräfte in der Schicht und dürfen nicht verwechselt werden mit Oberflächenphänomenen oder Folgen der Elektromigration bzw. dem Einfluss von Feuchtigkeit oder ionischen Verunreinigungen.
Es sind vielerlei Whiskerformen bekannt. Sie können gerade, gekrümmt oder von unregelmäßiger knotiger Form sein. Der Mechanismus der Whiskerbildung ist inzwischen verstanden worden, so dass auch erfolgreiche Gegenmaßnahmen identifiziert und ergriffen werden können. Das Wachstum von Whiskern kann wie folgt verstanden werden und basiert auf verschiedenen bewiesenen Prämissen:
- Die treibende Kraft für die Bildung von Whiskern sind Spannungen innerhalb der Zinnschicht
- Matte Oberflächen sind nur sehr wenig von solchen Spannungen betroffen
- Die Entwicklung von Spannungen hängt mit der unregelmäßigen Bildung von intermetallischen Phasen an der Kupfer-Zinn-Grenzfläche zusammen. Dies betrifft auch die Grenzfläche zwischen Zinn und Kupferlegierungen wie z. B. Bronze oder Messing
Auf diesen Aussagen basierend, können verschiedene Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um die Bildung von Whiskern effektiv zu unterdrücken:
- Anwendung von dichten Sperrschichten als Diffusionsbarriere für das Grundmaterial aus Nickel oder Silber
- Tempern des Materials, was zur Bildung einer intermetallischen Sperrschicht (IMC) führt
- Aufbringen von sehr dicken Zinnschichten, wodurch die Spannungen in der Schicht auf ein akzeptables Niveau zurückgeführt werden können
In der Regel werden Whisker von maximal 50 µm Länge nach zwei Jahren Lagerung als technisch akzeptabel betrachtet. Eine allgemeine Folgerung aus den Ergebnissen umfangreicher Testreihen ist, dass weder Temperatur noch relative Luftfeuchtigkeit bei der Lagerung das Wachstum der Whisker beeinflusst hat.
