En Valdinox seguimos comprometidos con la innovación, destacándonos como un fabricante líder de bandejas portacables de rejilla. Como parte de este compromiso, en 2019 colaboramos con LADICIM (Laboratorio de la División de Ciencia e Ingeniería de Materiales) de la Universidad de Cantabria para estudiar a fondo el fenómeno de los zinc whiskers y evaluar su impacto en diferentes tipos de recubrimientos de zinc.
Aunque el crecimiento de los zinc whiskers no es un fenómeno reciente —se detectó por primera vez en la década de 1940 en diversos sectores industriales— sigue siendo un área poco explorada. Su presencia en productos de acero galvanizado plantea interrogantes que aún no se han resuelto por completo.
¿Qué es un zinc whisker?
Un zinc whisker es una microscópica estructura metálica con forma cristalina hexagonal que puede desarrollarse espontáneamente en superficies recubiertas con zinc galvanizado. Este fenómeno ocurre como resultado de tensiones residuales o imperfecciones en el recubrimiento.
El crecimiento de los zinc whiskers puede originarse de dos formas:
- Directamente desde la superficie recubierta, emergiendo como filamentos microscópicos.
- A partir de protuberancias previas «hillocks», que son pequeños bultos formados por la liberación de tensiones acumuladas en el recubrimiento.
Estas estructuras representan un riesgo importante para equipos electrónicos críticos, como los de los centros de datos.
¿Cómo se forman los zinc whiskers?
Los zinc whiskers se forman en superficies electrogalvanizadas con zinc, a menudo como resultado de tensiones mecánicas, impurezas u otras imperfecciones de fabricación.
El crecimiento de los whiskers se puede describir como un fenómeno de dos etapas:
- Comienza con un período de incubación, conocido como «tiempo de incubación», que puede extenderse desde unos pocos meses hasta varios años. Se ha demostrado que el tiempo de incubación es inversamente proporcional a la tensión, y que la tasa de crecimiento depende de la longitud de los whiskers.
- La segunda etapa corresponde al crecimiento del whisker.
Evaluación de los riesgos que los zinc whiskers pueden causar en los centros de datos
Este fenómeno se considera un riesgo para los circuitos impresos, ya que puede provocar un colapso o daños graves en cualquier componente electrónico cuando los flujos de aire producen su desprendimiento y arrastre desde la superficie.
Sin embargo, hasta la fecha no hay evidencia de que un zinc whisker haya dañado un circuito electrónico. En el momento en que el filamento del microscopio provocara un cortocircuito eléctrico se volatilizaría, lo que haría imposible conocer su origen incluso utilizando los métodos forenses informáticos más avanzados.
Además, no sería posible determinar el origen de dicho filamento, ya que es probable que existan otras superficies metalizadas recubiertas de zinc dentro de la sala blanca, más allá de las bandejas portacables de rejilla, como tornillos, tuercas, manillas de puertas, baldosas del suelo, etc.
El único método para confirmar la presencia de zinc whiskers es utilizar microscopio electrónico de barrido para examinar muestras de campo.
No hay datos disponibles obtenidos al medir la presencia de zinc en el aire dentro de un Centro de Datos, ni se ha relacionado esto con el número y la recurrencia de daños a los circuitos. Los zinc whiskers son demasiado pequeños, y los filtros de polvo normales son ineficaces. Se recomienda el uso de filtros HEPA.
Parámetros que influyen en el fenómeno
En el siguiente listado podemos ver los parámetros que pueden controlarse de alguna manera para reducir los zinc whiskers:
- Espesor del recubrimiento. Un recubrimiento más delgado favorece el crecimiento de zinc whiskers al influir en la textura del recubrimiento y en el estrés residual en recubrimientos de menos de 5 μm.
- Espesor del sustrato. Un sustrato más delgado favorece el crecimiento de zinc whiskers al influir en la textura del recubrimiento.
- Electrolito galvánico. Los electrolitos de cianuro producen menos estrés residual y, por tanto, una menor tasa de crecimiento de whiskers.
- Contaminantes orgánicos (incluidos los abrillantadores). Favorecen el crecimiento de whiskers al aumentar el estrés localizado en los metales electrogalvanizados.
- Cromo. Inhibe el inicio de los whiskers, pero no los evita.
- Microestructura del recubrimiento de zinc. Los granos alargados tienden a tener mayores tasas de crecimiento de whiskers que las muestras con granos equiaxiales columnares.
- Temperatura. Favorece el crecimiento en longitud y densidad de los whiskers. Ambos parámetros disminuyen cuando la temperatura aumenta.
- Corrosión. Tiende a agredir la capa pasiva de cromo, lo que facilita la aparición de whiskers.
- Tensión residual en los recubrimientos. Favorece la tasa de crecimiento de los whiskers y reduce el tiempo de incubación.
- Tensión externa aplicada. La tensión aplicada de compresión favorece más el crecimiento que la tensión externa aplicada de tracción.
- Relajación de la tensión. Podría ser la fuerza motriz del crecimiento de los zinc whiskers.
Parámetros que no influyen en el fenómeno
- Granulometría. No se ha observado una influencia clara.
- Dureza. Sin influencia observada.
- Microdeformación. Sin influencia observada.
- Luz y campo electromagnético. Sin influencia observada.
- Humedad. Sin influencia observada.
Composición de un zinc whisker analizada mediante espectrografía de masas y microscopio electrónico
¿Qué recubrimientos minimizan el riesgo de formación de zinc whiskers?
Nuestro proyecto de investigación ha permitido a los investigadores extraer conclusiones relevantes sobre diferentes tipos de recubrimientos:
- El zincado electrolítico alcalino, independientemente del método de pasivación posterior, muestra mayores densidades de zinc whiskers que otros recubrimientos, especialmente en condiciones de compresión.
- El zincado electrolítico ácido tiene un período de incubación más largo, y los zinc whiskers se observan después de 9 meses. La densidad de protuberancias y whiskers es menor después de 12 meses.
- El recubrimiento galvanizado por inmersión en caliente no muestra zinc whiskers ni protuberancias durante todo el período de 12 meses; además, el estrés compresivo no es un factor en su generación. Sin embargo, las escamas de zinc, que son características de este tipo de recubrimiento, podrían representar un riesgo mayor que los propios whiskers.
- El acero al carbono pregalvanizado presumiblemente se comportaría de manera similar al galvanizado por inmersión en caliente, pero este tipo de recubrimiento en mallas de alambre no se recomienda para instalaciones interiores, ya que los puntos soldados en una malla pregalvanizada permanecen sin protección, y la humedad y el ambiente controlados en interiores evitan que las pátinas de óxido de zinc se extiendan por la superficie. Cabe destacar que la corrosión facilita la aparición de whiskers.
- Los recubrimientos de aleación de zinc-níquel tienen una menor densidad de whiskers y protuberancias. Sin embargo, su dureza, que es de 3 a 4 veces mayor que la de los recubrimientos de zinc electrolítico y 2 veces mayor que la del galvanizado por inmersión en caliente, tendría un impacto negativo debido a su baja adherencia y fragilidad excesiva (generando grietas en la superficie). Esto podría reducir la protección contra la corrosión y, además, estas partículas metálicas podrían causar cortocircuitos y dañar equipos electrónicos.
- El acero inoxidable no genera zinc whiskers.
Se han realizado pruebas de seguimiento sobre estos otros recubrimientos, dando como resultado la generación de whiskers en todos ellos:
- Aleación de zinc y aluminio.
- Recubrimiento de zinc electrolítico con pasivación negra y capa de sellado orgánico-mineral.
- Zincado electrolítico alcalino con pasivación y sellado orgánico-mineral transparente tipo «Finigard 460».
Impacto de recubrimientos secundarios sobre la capa de zinc
Para completar este análisis, los investigadores incluyeron recubrimientos basados en zinc que contienen una capa secundaria de un compuesto orgánico dentro de su esquema de observaciones con SEM. Estos tipos de recubrimientos, que aparecen mayoritariamente en color negro, se han utilizado recientemente en bandejas portacables de rejilla, alegando ser una alternativa «libre de whiskers». Sin embargo, los investigadores encontraron que estas capas orgánicas secundarias delgadas se agrietan y rompen fácilmente bajo condiciones normales de trabajo, exponiendo así la capa de zinc y generando whiskers y protuberancias en una medida similar a otros recubrimientos electrolíticos.
Recomendaciones clave para proteger tus centros de datos
- Usar bandejas portacables de rejilla con recubrimientos de zinc electrolítico ácido. Este tipo de recubrimiento tiene el período de incubación más largo y muestra menos densidad de protuberancias y whiskers después de 12 meses en comparación con los recubrimientos electrolíticos alcalinos.
- El espesor del recubrimiento de zinc debe ser superior a 10 micras. Un recubrimiento más delgado favorece el crecimiento de whiskers.
- Evitar el uso de selladores orgánicos o tratamientos posteriores (como pintura en polvo).
- Si se utilizan bandejas de rejilla galvanizadas por inmersión en caliente, cada cable debe inspeccionarse antes de su instalación para eliminar las escamas de zinc con un cepillo metálico.
- Dado que la corrosión facilita la aparición de whiskers, no se recomiendan las bandejas portacables de rejilla pregalvanizadas, ya que los puntos soldados permanecerían sin recubrimiento durante mucho tiempo en un ambiente controlado, retrasando la generación de las pátinas de óxido de zinc y aumentando el riesgo de generación de zinc whiskers en las áreas circundantes.
