無(wú)鉛電子時(shí)代的“隱形殺手”---錫須

表1 錫須問題而造成的事故

盡管錫須問題在上世紀(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?；灞砻娲植诙群虲TE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120℃時(shí)，其生長(zhǎng)緩慢，當(dāng)溫度超過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。

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。基于錫須的橫截面與長(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

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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