कुछ इलेक्ट्रॉनिक उपकरण इसलिए ख़राब होते हैं कि उनके भीतर धातु उग आई। सत्तर साल बाद भी पूरी वजह किसी को नहीं पता

इलेक्ट्रॉनिक्स की ज़्यादातर ख़राबियाँ पहचानी जा सकती हैं: कुछ ज़्यादा गरम हुआ, कुछ चटका, कुछ में जंग लगी, कुछ ठीक से बना ही नहीं था। पर एक श्रेणी इन सबसे अजीब है, और आज भी पूरी तरह समझाई नहीं जा सकी।

कभी-कभी कोई परिपथ इसलिए ख़राब होता है कि उसके भीतर धातु उग आई। जंग नहीं, ढीले अर्थ में खिसकना नहीं — उगना। टिन का एक एकल-क्रिस्टल रेशा, कुछ माइक्रोमीटर मोटा और इतना लंबा कि लेंस से दिख जाए, महीनों या सालों में किसी चढ़ी हुई सतह से बाहर निकलता जाता है, पड़ोसी चालक तक पहुँचता है, और उसे शॉर्ट कर देता है।

टिन व्हिस्कर उपग्रहों की नाकामी, विमानों के उपकरण ठप होने, चिकित्सा उपकरणों की वापसी और एक परमाणु संयंत्र के बंद होने तक की वजह बन चुके हैं। इन्हें पहली बार 1940 के दशक में दर्ज किया गया था। आज भी इनके बनने का पूरा सिद्धांत नहीं है, और ऐसी कोई जाँच नहीं जो भरोसे से बता सके कि कोई फ़िनिश सेवा के दौरान व्हिस्कर उगाएगी या नहीं।

यह अपने आप में ध्यान देने लायक़ है। और इससे एक बड़ा विचार भी निकलता है — कि कमरे के तापमान पर ठोस धातु बिलकुल भी ठहरी हुई नहीं है — और यह मान लेने पर तीन अलग-अलग दिखती ख़राबियाँ एक ही कहानी निकलती हैं।

व्हिस्कर नोक से नहीं, जड़ से उगता है

पहली बात यह समझनी है कि व्हिस्कर कोई ऐसा क्रिस्टल नहीं जो अपनी नोक से बाहर की ओर बढ़ रहा हो, जैसे पाला या चूना-स्तंभ बढ़ता है। उसे नीचे से ठेला जा रहा है — टूथपेस्ट की तरह — और उसकी नोक वैसी ही बनी रहती है जैसी शुरू में थी।

यह प्रयोग से बड़े सुघड़ ढंग से तय हुआ: बढ़ते हुए व्हिस्कर पर बीच में कहीं निशान लगाइए और देखिए कि वह निशान कहाँ जाता है। वह नोक से तय दूरी पर बना रहता है और नया मटेरियल जड़ पर जुड़ता है। टिन नीचे की परत से आ रहा है और सतह के ऑक्साइड में बनी किसी कमज़ोर जगह से बाहर ठेला जा रहा है।

उसे बाहर ठेलता क्या है — टिन की परत में मौजूद संपीड़न प्रतिबल। दबाव में पड़ी पतली टिन परत के पास उस दबाव से छुटकारा पाने के रास्ते बहुत कम हैं — वह आसानी से बह नहीं सकती, नीचे का आधार उसे बाँधे रखता है, और ऊपर उसका अपना सख़्त ऑक्साइड — और उस ऑक्साइड की किसी दरार से एक रेशा बाहर ठेल देना उन गिने-चुने बचे रास्तों में से एक है।

तो असली सवाल यह है कि वह दबाव आता कहाँ से है — और यहाँ कई योगदान हैं जो हालात के हिसाब से बदलते रहते हैं; इसी वजह से यह समस्या इतनी फिसलनदार है।

सबसे अहम आम तौर पर अंतरधात्विक वृद्धि है। ताँबे पर चढ़ा टिन वहाँ चुपचाप नहीं बैठा रहता; ताँबा टिन में विसरित होकर सतह पर एक अंतरधात्विक यौगिक बनाता है, और वह भी बेतरतीब ढंग से — ख़ास तौर पर टिन की कणिका-सीमाओं के साथ, उनमें घुसते हुए, और वह उससे ज़्यादा जगह घेरता है जितनी उसने ली थी। यानी परत को भीतर से, कमरे के तापमान पर, एक चलती हुई ठोस-अवस्था अभिक्रिया धकेल रही है। इसके साथ चढ़ाई की प्रक्रिया से बचा अवशेष प्रतिबल, गरम-ठंडा होने पर तापीय प्रसार के मेल न खाने से आया प्रतिबल, और चढ़े हुए पुर्ज़े को मोड़ने या कसने से आया यांत्रिक प्रतिबल भी जुड़ते हैं।

इस पर ठहरना चाहिए: दराज़ में पड़ा, बिना बिजली के, कमरे के तापमान वाला सर्किट बोर्ड अपनी सतहों पर रासायनिक रूप से सक्रिय है। परमाणु चल रहे हैं। यह वही ठोस-अवस्था विसरण है जो सिंटरिंग चलाता है, बस कहीं धीमा और ऐसा जिसे कोई नहीं चाहता।

सीसा क्यों मायने रखता था, और उसे हटाने से यह क्यों लौट आया

यहीं टिन व्हिस्कर भौतिकी के साथ-साथ मटेरियल-नीति की कहानी भी बन जाते हैं।

टिन-सीसा सोल्डर और टिन-सीसा प्लेटिंग, जो दशकों तक उद्योग का मानक रहे, व्हिस्कर क़रीब-क़रीब उगाते ही नहीं। कुछ प्रतिशत सीसा उन्हें बेहद असर से दबा देता है। तंत्र पर आज भी बहस है — व्याख्याएँ इसी के इर्द-गिर्द हैं कि सीसा कणिका-संरचना और कणिका-सीमाओं का बर्ताव कैसे बदलता है, जिससे दबाव संभालने का ढंग बदल जाता है — पर यह अनुभव-सिद्ध तथ्य कभी संदेह में नहीं रहा।

जब ख़तरनाक पदार्थों पर रोक के चलते इलेक्ट्रॉनिक्स लेड-फ़्री फ़िनिश पर गया, तो शुद्ध टिन और ऊँचे टिन वाले मिश्रधातु आम हो गए — और व्हिस्कर की समस्या 1960 के दशक के बाद पहली बार औद्योगिक पैमाने पर लौट आई। धातुविदों के लिए यह अचरज नहीं था; यह जाना-पहचाना और खुलकर चर्चा किया गया नतीजा था।

जवाब समाधान नहीं, बचाव रहा है — और जहाँ बचाव काफ़ी न हो, वहाँ छूट। ऊँची विश्वसनीयता वाले क्षेत्र — अंतरिक्ष, विमानन, रक्षा, कुछ चिकित्सा उपकरण — आज भी टिन-सीसा सोल्डर ही तय करते हैं, साफ़ नियामक छूटों के तहत, ठीक इसलिए कि बीस साल के मिशन पर व्हिस्कर का ख़तरा स्वीकार्य नहीं है और कोई लेड-फ़्री फ़िनिश उसे पूरी तरह हटा देने वाली साबित नहीं हुई।

जिन पाठकों ने पीज़ोइलेक्ट्रिसिटी वाला हमारा लेख पढ़ा है, वे इस शक्ल को तुरंत पहचान लेंगे: लेड ज़र्कोनेट टाइटेनेट के पास भी छूट है, और उसी वजह से कि कोई सीसा-रहित विकल्प उसकी सारी शर्तें एक साथ पूरी नहीं करता। दो बिलकुल अलग उद्योग, एक ही ईमानदार स्थिति — विकल्प चाहिए, विज्ञान सचमुच कोशिश कर रहा है, और कुछ ख़ास कामों में वह विकल्प अभी इतना अच्छा नहीं कि उल्टा दिखावा किया जाए।

जो बचाव सचमुच काम करते हैं वे जानने लायक़ हैं। ताँबे और टिन के बीच निकल की परत विसरण रोकने वाली दीवार बनकर अंतरधात्विक दबाव काफ़ी घटा देती है। मैट टिन — बड़े दानों और कम भीतरी दबाव के साथ चढ़ा — ब्राइट टिन से कहीं बेहतर है, जिसकी महीन कणिका-संरचना और कार्बनिक योजक उसे सबसे ख़राब फ़िनिशों में गिना देते हैं। चढ़ाई के बाद एनीलिंग कुछ दबाव उतार देती है। मोटी परत भी मदद करती है। और कॉन्फ़ॉर्मल कोटिंग व्हिस्कर को देर से आने देती है और छोटे व्हिस्कर रोक सकती है — पर काफ़ी लंबा व्हिस्कर पतली कोटिंग को भेद सकता है या उसके ऊपर से पुल बना सकता है, इसलिए वह ख़तरा घटाना है, इलाज नहीं।

इलेक्ट्रोमाइग्रेशन: वह ख़राबी जो समझी जा चुकी है

धातु के खिसकने का दूसरा रास्ता कहीं बेहतर समझा गया है, और वही तय करता है कि कोई चिप कितने समय चल सकती है।

किसी इंटीग्रेटेड परिपथ के भीतर चालक इतनी धारा-घनत्व ढोते हैं कि आम तार भाप बन जाए — आम तौर पर दस लाख ऐम्पियर प्रति वर्ग सेंटीमीटर या उससे ऊपर, जो सिर्फ़ इसलिए झेला जा सकता है कि चालक नन्हे हैं और गर्मी अच्छी तरह निकलती है। उस घनत्व पर बहते इलेक्ट्रॉन सिर्फ़ धातु में से गुज़रते नहीं। वे धातु के परमाणुओं को अपना संवेग सौंपते हैं और उन्हें इलेक्ट्रॉन-प्रवाह की दिशा में खिसकाते रहते हैं।

समय के साथ यह इलेक्ट्रोमाइग्रेशन चालक को वहाँ पतला कर देता है जहाँ से परमाणु जा रहे हैं और वहाँ जमा कर देता है जहाँ वे पहुँच रहे हैं। पतला हुआ हिस्सा आख़िर रिक्ति बनकर खुल जाता है और संपर्क टूट जाता है — या जमा हुआ मटेरियल टीला बनकर पड़ोसी लाइन से जुड़ जाता है और शॉर्ट कर देता है। दोनों हाल में चिप ख़राब होती है, और वह इतने समय बाद होती है जिसका सांख्यिकीय अनुमान लगाया जा सकता है, जो अंधाधुंध नहीं है।

यही अनुमान लगने लायक़ होना इलेक्ट्रोमाइग्रेशन को रहस्य नहीं, डिज़ाइन की बंदिश बनाता है। ब्लैक का समीकरण औसत विफलता-समय को धारा-घनत्व और तापमान से जोड़ता है, और चिप डिज़ाइनर उसी से चालकों की क्षमता घटाकर तय करते हैं कि अपेक्षित उम्र उत्पाद की सेवा-अवधि से ज़्यादा रहे। ऐलुमिनियम से ताँबे के इंटरकनेक्ट पर जाने की एक वजह यही थी, और इसीलिए हर बार पुर्ज़े छोटे होने पर धारा-घनत्व फिर से देखना पड़ता है — क्योंकि पतले तार में उतनी ही धारा का मतलब है ऊँचा घनत्व, यानी कम उम्र, जब तक कुछ और न बदले।

डेंड्राइट: वह धातु जो उस पानी में उगती है जो आपको दिखता नहीं

तीसरे तंत्र को तीन चीज़ें एक साथ चाहिए: नमी, वोल्टेज का अंतर, और आयनिक गंदगी।

इन हालात में धातु धनात्मक चालक पर घुलती है, बोर्ड की सतह पर सोखी हुई पानी की पतली परत में आयन बनकर चलती है, और ऋणात्मक चालक पर जमा होने लगती है — और दरार के आर-पार पेड़ जैसी शाखाओं वाली चालक रचना उगा देती है। वह पहुँचते ही परिपथ शॉर्ट हो जाता है। यही विद्युत-रासायनिक प्रवासन है, और व्हिस्कर के उलट इसे किसी संपीड़न प्रतिबल की ज़रूरत नहीं; इसे विद्युत-अपघट्य चाहिए — और फ़्लक्स के अवशेष वाला नम बोर्ड ख़ुद एक विद्युत-अपघट्य है।

इसीलिए सोल्डरिंग के बाद सफ़ाई दिखावे की नहीं, विश्वसनीयता की शर्त है; इसीलिए आयनिक गंदगी की जाँच होती है; और इसीलिए सेवा के दौरान की नमी डिज़ाइन आकलन का हिस्सा है। चालकों के बीच की दूरी घटते जाने से यह और अहम होता जा रहा है, क्योंकि डेंड्राइट को तय करने वाली दूरी भी उतनी ही घट जाती है।

इसी भौतिकी का एक अहम रिश्तेदार कहीं और है: बैटरी क्यों बूढ़ी होती है में बताया गया लिथियम प्लेटिंग मिलती-जुलती वजहों से धातु असमान रूप से जमाता है और ऐसी रचनाएँ उगा सकता है जो दूसरे इलेक्ट्रोड तक पहुँच जाएँ। रसायन अलग, पर नीचे की तस्वीर वही — धातु एक जगह घुल रही है और वहाँ जम रही है जहाँ उसे नहीं होना चाहिए था।

तीन तंत्र, तीन चालक शक्तियाँ — यांत्रिक प्रतिबल, इलेक्ट्रॉन का संवेग, विद्युत-रासायनिक विभव — और एक ही निष्कर्ष। चालक कोई जमी हुई वस्तु नहीं है। वह परमाणुओं की आबादी है, जिसे अपनी जगह पर सिर्फ़ इस बात ने रोक रखा है कि हिलने की कोई वजह नहीं मिली — और विश्वसनीयता की इंजीनियरिंग का मतलब है उन हर वजहों का हिसाब रखना जो आपने ख़ुद उन्हें दे दी हैं।

इसकी जाँच करना कठिन क्यों है

टिन व्हिस्कर इस मामले में अनोखे हैं कि उद्योग के पास इनके लिए अच्छा-ख़ासा विकसित परीक्षण मानक है और उसके अनुमान पर सीमित भरोसा।

कठिनाई यह है कि व्हिस्कर धीरे, अनियमित ढंग से, लंबे शुरुआती ठहराव के बाद उगते हैं, और उनका बनना ऐसी प्रतिबल-अवस्थाओं पर टिका है जिन्हें दोहराना मुश्किल है। त्वरित परीक्षण — ऊँचा तापमान और नमी, तापीय चक्रण — व्हिस्कर पैदा तो करते हैं, पर परीक्षण और असली हालात के बीच का त्वरण-गुणक भरोसे से पता नहीं; और जो फ़िनिश चेंबर में अच्छा कर जाए वह सेवा में सालों बाद व्हिस्कर उगा सकती है। कुछ हालात जो दूसरी ख़राबियाँ तेज़ करते हैं, वे उस संपीड़न प्रतिबल को घटा देते हैं जो व्हिस्कर चलाता है — यानी कड़ी जाँच बेहतर नतीजा दिखा सकती है।

व्यावहारिक नतीजा यह कि ऊँची विश्वसनीयता वाले कार्यक्रम व्हिस्कर का ख़तरा मटेरियल चुनाव और डिज़ाइन नियमों से संभालते हैं — शुद्ध ब्राइट टिन से बचिए, निकल की दीवार लगाइए, चालकों के बीच दूरी रखिए, कॉन्फ़ॉर्मल कोटिंग कीजिए, और जहाँ दाँव बड़ा हो वहाँ टिन-सीसा इस्तेमाल कीजिए — न कि जाँच करते-करते भरोसे तक पहुँचकर। किसी परिपक्व उद्योग के लिए यह असामान्य और ईमानदार स्थिति है, और जानने लायक़ ठीक इसलिए है कि ज़्यादातर विश्वसनीयता समस्याएँ ऐसे नहीं संभाली जातीं।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

विश्वसनीयता की भौतिकी डिज़ाइन के मुक़ाबले बहुत कम पढ़ाई जाती है, और उत्पाद असल में वहीं मरते हैं। जो स्नातक जानता है कि सोल्डर फ़िनिश का अपना विफलता-तंत्र होता है, कि इंटरकनेक्ट का धारा-घनत्व बजट होता है, और कि फ़्लक्स का अवशेष एक विद्युत-अपघट्य है — वह ऐसी महँगी ग़लतियों से बच जाता है जो उत्पाद बिकने के सालों बाद तक दिखती ही नहीं।

टिन व्हिस्कर उस चीज़ का भी क़ीमती उदाहरण हैं जो छात्रों को कम ही दिखाई जाती है: पूरी तरह परिपक्व तकनीक के भीतर बैठी एक अनसुलझी समस्या। सोल्डरिंग हज़ारों साल पुरानी है, टिन चढ़ाना आम प्रक्रिया है, और टिन की परत एकल-क्रिस्टल रेशा बाहर कैसे ठेल देती है यह आज भी प्रतिस्पर्धी व्याख्याओं वाला जीवित शोध-प्रश्न है। हर पुरानी चीज़ तय नहीं हो चुकी।

खुले सवाल असली और नतीजा-भरे हैं। ऐसा पूर्वानुमान-मॉडल जो चढ़ाई की रसायन, कणिका-संरचना और प्रतिबल-अवस्था को व्हिस्कर की प्रवृत्ति से जोड़ दे, इन मोटे एहतियाती नियमों की ज़रूरत ही ख़त्म कर देगा। ऐसी लेड-फ़्री फ़िनिश जिसकी लंबी अवधि में व्हिस्कर-मुक्ति साबित हो, ऊँची विश्वसनीयता वाले क्षेत्रों को यह बदलाव आख़िरकार पूरा करने देगी। ऐसे त्वरित परीक्षण जिनका असली हालात से भरोसेमंद रिश्ता हो, उद्योग के मटेरियल चुनने का तरीक़ा बदल देंगे। और चालकों की दूरी घटती जाने से इन तीनों तंत्रों के ख़िलाफ़ बचा हुआ हाशिया सिकुड़ रहा है — यानी ये सवाल कम नहीं, और ज़्यादा ज़रूरी होते जा रहे हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

क्या लेड-फ़्री सोल्डर सीसे वाले सोल्डर से ख़राब है?

ज़्यादातर उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए वह पूरी तरह काम का है, और सीसा हटाने का पर्यावरण व स्वास्थ्य वाला तर्क मज़बूत है। उसके असली समझौते भी हैं: ऊँचा प्रसंस्करण तापमान, जोड़ की अलग सूक्ष्म-संरचना, और टिन व्हिस्कर का वह ख़तरा लौट आना जिसे सीसे वाली फ़िनिश ने क़रीब-क़रीब ख़त्म कर दिया था। इसी मेल की वजह से अंतरिक्ष, विमानन, रक्षा और कुछ चिकित्सा उपयोगों के पास आज भी छूट है और वे लंबी उम्र वाले हार्डवेयर में टिन-सीसा ही इस्तेमाल करते हैं।

क्या मैं अपने बनाए बोर्ड पर व्हिस्कर रोक सकता हूँ?

ख़तरा काफ़ी घटा सकते हैं। ब्राइट टिन फ़िनिश से बचिए, टिन के नीचे निकल की परत को तरजीह दीजिए, जहाँ काम इजाज़त दे वहाँ शुद्ध टिन के अलावा फ़िनिश पर विचार कीजिए, जहाँ हो सके वहाँ चालकों के बीच दूरी उदारता से रखिए, और जिसे कई साल चलना है उस पर कॉन्फ़ॉर्मल कोटिंग कीजिए। इनमें से कोई भी गारंटी नहीं है — यही असहज हिस्सा है — पर ठीक और ग़लत चुनी गई फ़िनिश के बीच का फ़र्क़ बड़ा है।

क्या इलेक्ट्रोमाइग्रेशन का मतलब है कि मेरे फ़ोन की एक मियाद तय है?

एक अर्थ में हाँ, हालाँकि फ़ोन की ज़िंदगी शायद ही कभी इससे ख़त्म होती है। चिप डिज़ाइनर इंटरकनेक्ट ऐसे नापते हैं कि सामान्य हालात में इलेक्ट्रोमाइग्रेशन की विफलता अपेक्षित सेवा-अवधि से कहीं आगे पड़े — इसलिए बैटरी, स्क्रीन, सॉफ़्टवेयर सपोर्ट और गिरकर टूटना लगभग हमेशा पहले ही उपकरण का अंत कर देते हैं। लगातार ऊँचा तापमान और लगातार भारी भार वह हाशिया ज़रूर घटाते हैं, जो गर्मी से बचने की एक और वजह है।

कॉन्फ़ॉर्मल कोटिंग व्हिस्कर की समस्या हल क्यों नहीं कर देती?

क्योंकि वह कारण नहीं, नतीजे पर काम करती है। टिन की परत में दबाव तब भी मौजूद है और परत तब भी उससे छुटकारा चाहती है — इसलिए व्हिस्कर कोटिंग के नीचे उग सकते हैं, पतली या असमान परत को भेद सकते हैं, और कुछ हालात में सतह के ऊपर से पुल बना सकते हैं। कोटिंग ख़तरा सार्थक रूप से घटाती है और ठीक इसीलिए व्यापक रूप से तय की जाती है; पर वह तंत्र को ख़त्म नहीं करती।

अगर जाँच में बोर्ड ठीक चल रहा है तो फ़्लक्स का अवशेष क्यों मायने रखता है?

क्योंकि विद्युत-रासायनिक प्रवासन को समय, नमी और वोल्टेज — तीनों चाहिए, और कारख़ाने की जाँच इनमें से एक भी नहीं देती। जो बोर्ड आज पास हो जाता है, वह नम माहौल में महीनों में किसी महीन दरार के आर-पार डेंड्राइट उगा सकता है, जहाँ आयनिक अवशेष विद्युत-अपघट्य का काम कर रहा होगा। इसीलिए सफ़ाई इस बात से नहीं जाँची जाती कि इकाई चालू होती है या नहीं, बल्कि आयनिक गंदगी की जाँच से — और इसीलिए "अंतिम जाँच में तो चल रहा था" तीसरे साल के बारे में कोई सबूत नहीं है।