無鉛電子時代的“隱形殺手”---錫須

重慶群崴電子材料有限公司

背景Background

在無鉛電子時代，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)良的可焊性和導電性，而且還具有良好的抗氧化性及耐腐蝕性，同時還具有一定的美觀性。不幸的是，電鍍純錫會生長單晶結構的晶須，這成為電子器件不期失效罪魁禍首。

表1 錫須問題而造成的事故

應用	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法工作
軍事事故
F-15雷達	鍍純錫的混合型微循環(huán)電路蓋子生長錫須
美國國家導彈項目	繼電器生長錫須
Phoenix 空對空導彈	混合型微循環(huán)電路內部生長錫須
空間事故
GALAXY Ⅳ	完全失控：繼電器生長錫須
GALAXY Ⅶ	完全失控：繼電器生長錫須
SOLIDARDAD Ⅰ	完全失控：繼電器生長錫須

 

盡管錫須問題在上世紀四十年代中期已經(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)和國防器件上仍很普遍。既然這是一個躲不開的問題，我們就需要更好的認識---錫須。

圖1 鍍純錫電子期間生長錫須圖片

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知識。晶須是一種頭發(fā)狀的晶體，它能從固體表面自然的生長出來，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的晶須。錫須生長過程中，客觀因素的影響或是錫晶粒排列取向改變使錫須生長方向發(fā)生改變，形成不同生長形態(tài)的錫須，形狀一般是柱狀、扭結、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,長度在2mm,錫須的生長速度一般在0.03-9mm/yr，錫須的生長密度在3-500根/mm²。

表2 JESD22A121中對錫須密度等級界定

錫須是無應力和內部缺陷的單晶體，具有很大的強度，有文獻指出，機械振動和擺動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是錫須的長度，cm。理論計算直徑2.8um,長0.8mm的錫須熔斷電流值為5.85mA，而實際測量該尺寸的錫須熔斷電流為22mA。預期值和實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量的復雜性有關。值得注意的是，錫須的載流能力與錫須的長度負相關。

錫須的生長條件 Conditions for Whisker Growth

  錫須一般生長電鍍錫層的表面，影響錫須生長的關鍵參數(shù)：基板材質、熔錫、錫純度、鍍層厚度、溫度等。

基板材質  錫須的生長因基板的材質而異，有研究指出，銅基板上電鍍錫約兩天就會生長出錫須，而鋼質基板則在幾個月后才會有錫須生長。另有研究給出幾種基板材質生長錫須的可能性：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。研究指出，熔錫抑制錫須生長是因為高溫條件下，錫晶粒呈規(guī)則的多邊形，相較于電鍍錫更不可能再結晶和產生內應力。

錫純度  在進行電鍍前，加入適量的鉛可以很好的抑制錫須的生長。在錫鉛合金鍍層（Pb30wt%）發(fā)現(xiàn)50um長的錫須，然而相較于純錫中動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，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，當然更為嚴苛軍事、航空應用中，多達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臨界值，當鍍層超過某一厚度時，錫須便不會發(fā)生。目前有關研究指出8-10um是這個臨界閾值。

溫度  錫須生長與溫度的關系尚未有定論。但是目前研究表明當溫度超過120℃時，其生長緩慢，當溫度超過150℃時，其生長完全停止。有研究者指出52℃是晶須生長的最優(yōu)溫度。溫度循環(huán)產生的熱應力也可能促進錫須的生長。

    當然，震動、濕度、腐蝕、氣壓，電鍍過程等也有對錫須的生長產生影響。

錫須的形成與生長理論Formation and Theory

   和樹枝晶不同，錫須不是由電磁場作用導致的，而是一種純粹的機械現(xiàn)象。目前錫須生長的真正原因尚不可知。自上世紀50年代初期，人們提出了許多理論機制來解釋錫須的生長，目前比較有代表性有4種。

理論類別	機制
氧化層理論	鍍錫層表面較薄處開裂，錫須生長得以發(fā)生釋放局部內應力，但無法解釋真空條件下錫須的生長
差排理論	在錫須中心的螺旋差排為錫原子的移動通道，錫原子移動到錫須的頂端沉積，而使錫須成長，但是與利用電子顯微鏡觀察錫須型態(tài)的研究結果不符
壓應力理論	當銅錫原子在室溫下產生相互擴散并反應形成Cu6Sn5介金屬，會產生壓應力作為驅動力， 導致錫須成長，應力的來源眾說不一，包括界面擴散反應應力、鍍錫層與基材熱膨脹系數(shù)不匹配應力、電遷移應力等
再結晶理論	認為底材因受力而差排堆積，導致再結晶，產生一個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不可移動的邊界，才能使原子移入晶核內，空孔排出晶核外，使再結晶的新晶核可以經(jīng)由晶粒成長延伸成錫須，若不可移動的邊界不存在，晶界移動將會發(fā)生，無法導致錫須產生

錫須的加速試驗方法 Test Methods

目前日本電子信息技術產業(yè)協(xié)會JEITA和全美電子制造商協(xié)會NEMI、Soldertec等三方已經(jīng)認可的晶須加速試驗方法包括如下3個：（1）高溫高濕試驗（溫度為+60℃，濕度為93±2-3%）；（2）耐沖擊試驗（溫度在-55℃或-40~80℃，具體參數(shù)未定）；（3）室溫放置試驗（放置在20-25℃室溫條件下）。

錫須的危害Dangerous

錫須最為嚴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帶來的困難。基于錫須的橫截面與長度，錫須導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.即時性短路。其中永久性短路危害最大。

錫須的抑制生長 Inhibition

盡管錫須的生長機制還不是很明確，但是有關如何抑制錫須生長的方式，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，釋放電鍍內應力
中間鍍層（Ni）	改善鍍層內應力，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	減少應光亮劑加入帶來的內應力
大晶粒鍍層	減少晶界擴散
鍍厚錫	一般在8-12um

 

結語 Epilogue

盡管錫須現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)現(xiàn)半個多世紀，但是真正受到重視是來自無鉛化制程， 隨著焊點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險提高，尋找抑制錫須成長的方法，建立有效的錫須可靠度測試標準，針對錫須的成長機制繼續(xù)深入研究很有必要。

參考文獻 References

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

蔡碧娥，錫須的生長機制

吉圣平，有關于無鉛化電子組裝的知識

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)和生產的高新技術創(chuàng)新型企業(yè)。公司擁有多項相關技術專利，是臺灣和大陸霧化成型BGA錫球技術專利持有人。公司目前與國內多所高校保持合作關系，并設有研發(fā)中心，具有專業(yè)的產品研發(fā)能力，可生產BGA錫球、銅核球、錫柱、增強型錫柱、錫絲、錫膏、預成形焊片等封裝產品，并能進行客制化研發(fā)與生產。

 

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