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無(wú)鉛電子時(shí)代的“隱形殺手”---錫須

瀏覽次數(shù):0 　更新時(shí)間:1/6/2019 3:08:00 PM　發(fā)布人：admin

重慶群崴電子材料有限公司

背景Background

在無(wú)鉛電子時(shí)代

，鍍錫工藝在商業(yè)化和高可靠性的電子器件上是很常見的。錫鍍層不僅具有優(yōu)良的可焊性和導(dǎo)電性

，而且還具有良好的抗氧化性及耐腐蝕性，同時(shí)還具有一定的美觀性。不幸的是

，電鍍純錫會(huì)生長(zhǎng)單晶結(jié)構(gòu)的晶須

，這成為電子器件不期失效罪魁禍?zhǔn)住?/font>

表1 錫須問(wèn)題而造成的事故

應(yīng)用	事故原因
醫(yī)療事故
心臟起搏器	緊急召回：錫須短路造成起搏器無(wú)法工作
軍事事故
F-15雷達(dá)	鍍純錫的混合型微循環(huán)電路蓋子生長(zhǎng)錫須
美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈項(xiàng)目	繼電器生長(zhǎng)錫須
Phoenix 空對(duì)空導(dǎo)彈	混合型微循環(huán)電路內(nèi)部生長(zhǎng)錫須
空間事故
GALAXY Ⅳ	完全失控：繼電器生長(zhǎng)錫須
GALAXY Ⅶ	完全失控：繼電器生長(zhǎng)錫須
SOLIDARDAD Ⅰ	完全失控：繼電器生長(zhǎng)錫須

盡管錫須問(wèn)題在上世紀(jì)四十年代中期已經(jīng)被提出，并有很多事故歸因于錫須

，但是鍍錫工藝在商業(yè)和國(guó)防器件上仍很普遍。既然這是一個(gè)躲不開的問(wèn)題

，我們就需要更好的認(rèn)識(shí)---錫須

。

圖1 鍍純錫電子期間生長(zhǎng)錫須圖片

錫須 Tin Whisker

在引入錫須概念之前，我們先了解晶須的一些基礎(chǔ)知識(shí)

。晶須是一種頭發(fā)狀的晶體

，它能從固體表面自然的生長(zhǎng)出來(lái)，也稱為“固有晶須”

。晶須可以錫、鎘

、鋅

，銦等純金屬上出現(xiàn)

，在鉛

、鎳

、金

，銀上鮮有見到

。錫須是晶須的一種，是在錫表面自然生長(zhǎng)的晶須。錫須生長(zhǎng)過(guò)程中

，客觀因素的影響或是錫晶粒排列取向改變使錫須生長(zhǎng)方向發(fā)生改變

，形成不同生長(zhǎng)形態(tài)的錫須，形狀一般是柱狀

、扭結(jié)

、丘起

、環(huán)狀等

。

圖2 常見的幾種錫須形態(tài)照片

錫須的物理性能 Physical Properties

典型的錫須直徑在3-4um,長(zhǎng)度在2mm,錫須的生長(zhǎng)速度一般在0.03-9mm/yr

，錫須的生長(zhǎng)密度在3-500根/mm²

。

表2 JESD22A121中對(duì)錫須密度等級(jí)界定

錫須是無(wú)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷的單晶體，具有很大的強(qiáng)度

，有文獻(xiàn)指出

，機(jī)械振動(dòng)和擺動(dòng)不能撕斷錫須的連接。

錫須的電性能Electrical Properties

研究指出在給定條件下

，錫須的理論負(fù)載能力滿足方程式：

其中A是錫須的橫截面積

，mm²;L是錫須的長(zhǎng)度

，cm。理論計(jì)算直徑2.8um,長(zhǎng)0.8mm的錫須熔斷電流值為5.85mA

，而實(shí)際測(cè)量該尺寸的錫須熔斷電流為22mA。預(yù)期值和實(shí)際值存在差異這和方程式的理想化模型及錫須的橫截面積測(cè)量的復(fù)雜性有關(guān)

。值得注意的是

，錫須的載流能力與錫須的長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)。

錫須的生長(zhǎng)條件 Conditions for Whisker Growth

錫須一般生長(zhǎng)電鍍錫層的表面

，影響錫須生長(zhǎng)的關(guān)鍵參數(shù)：基板材質(zhì)

、熔錫

、錫純度

、鍍層厚度

、溫度等

。

基板材質(zhì) 錫須的生長(zhǎng)因基板的材質(zhì)而異，有研究指出

，銅基板上電鍍錫約兩天就會(huì)生長(zhǎng)出錫須，而鋼質(zhì)基板則在幾個(gè)月后才會(huì)有錫須生長(zhǎng)

。另有研究給出幾種基板材質(zhì)生長(zhǎng)錫須的可能性：黃銅>電沉積銅>片狀銅>鋼>電鍍鎳>電鍍鉛>錫鎳合金

。基板表面粗糙度和CTE不匹配因素不被考慮

。

熔錫電沉積錫能夠明顯的抑制錫須的生長(zhǎng)

。研究指出

，熔錫抑制錫須生長(zhǎng)是因?yàn)楦邷貤l件下

，錫晶粒呈規(guī)則的多邊形，相較于電鍍錫更不可能再結(jié)晶和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力

。

錫純度在進(jìn)行電鍍前

，加入適量的鉛可以很好的抑制錫須的生長(zhǎng)。在錫鉛合金鍍層（Pb30wt%）發(fā)現(xiàn)50um長(zhǎng)的錫須，然而相較于純錫中動(dòng)則幾毫米的錫須已經(jīng)很短了

。研究指出1%Pb就能很好的抑制錫須的生長(zhǎng)，但是為了防止因電沉積不均勻而出現(xiàn)的富錫區(qū)

，通常推薦加入2%Pb

，當(dāng)然更為嚴(yán)苛軍事

、航空應(yīng)用中

，多達(dá)3%Pb

。

鍍層厚度研究表明錫須的生成與鍍層厚度之間存在一個(gè)臨界值

，當(dāng)鍍層超過(guò)某一厚度時(shí)

，錫須便不會(huì)發(fā)生

。目前有關(guān)研究指出8-10um是這個(gè)臨界閾值

。

溫度錫須生長(zhǎng)與溫度的關(guān)系尚未有定論

。但是目前研究表明當(dāng)溫度超過(guò)120℃時(shí)，其生長(zhǎng)緩慢

，當(dāng)溫度超過(guò)150℃時(shí)

，其生長(zhǎng)完全停止

。有研究者指出52℃是晶須生長(zhǎng)的最優(yōu)溫度

。溫度循環(huán)產(chǎn)生的熱應(yīng)力也可能促進(jìn)錫須的生長(zhǎng)。

當(dāng)然

，震動(dòng)

、濕度、腐蝕

、氣壓

，電鍍過(guò)程等也有對(duì)錫須的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響

。

錫須的形成與生長(zhǎng)理論Formation and Theory

和樹枝晶不同

，錫須不是由電磁場(chǎng)作用導(dǎo)致的

，而是一種純粹的機(jī)械現(xiàn)象。目前錫須生長(zhǎng)的真正原因尚不可知

。自上世紀(jì)50年代初期，人們提出了許多理論機(jī)制來(lái)解釋錫須的生長(zhǎng)

，目前比較有代表性有4種

。

理論類別	機(jī)制
氧化層理論	鍍錫層表面較薄處開裂，錫須生長(zhǎng)得以發(fā)生釋放局部?jī)?nèi)應(yīng)力，但無(wú)法解釋真空條件下錫須的生長(zhǎng)
差排理論	在錫須中心的螺旋差排為錫原子的移動(dòng)通道，錫原子移動(dòng)到錫須的頂端沉積，而使錫須成長(zhǎng) ，但是與利用電子顯微鏡觀察錫須型態(tài)的研究結(jié)果不符
壓應(yīng)力理論	當(dāng)銅錫原子在室溫下產(chǎn)生相互擴(kuò)散并反應(yīng)形成Cu₆Sn₅介金屬，會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力作為驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致錫須成長(zhǎng)，應(yīng)力的來(lái)源眾說(shuō)不一，包括界面擴(kuò)散反應(yīng)應(yīng)力、鍍錫層與基材熱膨脹系數(shù)不匹配應(yīng)力、電遷移應(yīng)力等
再結(jié)晶理論	認(rèn)為底材因受力而差排堆積，導(dǎo)致再結(jié)晶，產(chǎn)生一個(gè)新的晶核在底材表面，此晶核的尺寸必須約在1um左右，并且與底材之間存在一個(gè)不可移動(dòng)的邊界，才能使原子移入晶核內(nèi) ，空孔排出晶核外，使再結(jié)晶的新晶核可以經(jīng)由晶粒成長(zhǎng)延伸成錫須，若不可移動(dòng)的邊界不存在，晶界移動(dòng)將會(huì)發(fā)生，無(wú)法導(dǎo)致錫須產(chǎn)生

錫須的加速試驗(yàn)方法 Test Methods

目前日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)JEITA和全美電子制造商協(xié)會(huì)NEMI

、Soldertec等三方已經(jīng)認(rèn)可的晶須加速試驗(yàn)方法包括如下3個(gè)：（1）高溫高濕試驗(yàn)（溫度為+60℃

，濕度為93±2-3%）

；（2）耐沖擊試驗(yàn)（溫度在-55℃或-40~80℃

，具體參數(shù)未定）

；（3）室溫放置試驗(yàn)（放置在20-25℃室溫條件下）。

錫須的危害Dangerous

錫須最為嚴(yán)重的是其存在一定的蟄伏期

。錫須的萌芽期具有不確性，有的是8-10年

，有的20年,這也就給我們的檢測(cè)帶來(lái)的困難?div id="jfovm50" class="index-wrap">；阱a須的橫截面與長(zhǎng)度，錫須導(dǎo)致的短路形式可以分為三種：1.永久性短路

；2.短暫性短路；3.即時(shí)性短路

。其中永久性短路危害最大。

錫須的抑制生長(zhǎng) Inhibition

盡管錫須的生長(zhǎng)機(jī)制還不是很明確，但是有關(guān)如何抑制錫須生長(zhǎng)的方式

，研究工作已經(jīng)取得一定的成果

。

表3 常見的幾種抑制錫須生長(zhǎng)的文件

方案	備注
熱處理（退火，熔化，回流）	將鍍層熔化后再凝固或改善晶格缺陷，釋放電鍍內(nèi)應(yīng)力
中間鍍層（Ni）	改善鍍層內(nèi)應(yīng)力，抑制中間化合物形成
鍍層合金化	加入一定量的Bi 、Pb 、Ag等
鍍暗錫	減少應(yīng)光亮劑加入帶來(lái)的內(nèi)應(yīng)力
大晶粒鍍層	減少晶界擴(kuò)散
鍍厚錫	一般在8-12um

結(jié)語(yǔ) Epilogue

盡管錫須現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)現(xiàn)半個(gè)多世紀(jì)

，但是真正受到重視是來(lái)自無(wú)鉛化制程，隨著焊點(diǎn)密集度增加和間距縮小

，使得錫須所造成元件短路及損壞的風(fēng)險(xiǎn)提高

，尋找抑制錫須成長(zhǎng)的方法

，建立有效的錫須可靠度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

，針對(duì)錫須的成長(zhǎng)機(jī)制繼續(xù)深入研究很有必要

。

參考文獻(xiàn) References

Captain Mark E.Mcdowell,Tin whiskers:A case study

蔡碧娥

，錫須的生長(zhǎng)機(jī)制

吉圣平

，有關(guān)于無(wú)鉛化電子組裝的知識(shí)

Jong S. Kadesch

，The Continuing Dangers of Tin Whiskers and Attempts to Control Them with Conformal Coating

Jong S. Kadesch

，Effects of Conformal Coat on Tin Whisker Growth

Henning Leidecker，Electrical Failure of an Accelerator Pedal Position Sensor Caused by a Tin Whisker and Discussion of Investigative Techniques Used for Whisker Detection

重慶群崴電子材料有限公司是一家專業(yè)從事電子封裝材料研發(fā)和生產(chǎn)的高新技術(shù)創(chuàng)新型企業(yè)

。公司擁有多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)專利，是臺(tái)灣和大陸霧化成型BGA錫球技術(shù)專利持有人。公司目前與國(guó)內(nèi)多所高校保持合作關(guān)系

，并設(shè)有研發(fā)中心

，具有專業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)能力，可生產(chǎn)BGA錫球

、銅核球、錫柱

、增強(qiáng)型錫柱

、錫絲、錫膏

、預(yù)成形焊片等封裝產(chǎn)品，并能進(jìn)行客制化研發(fā)與生產(chǎn)

。

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