背景
錫須是在純錫或錫合金鍍層表面自發(fā)生長(zhǎng)出來的一種細(xì)長(zhǎng)形狀的錫的結(jié)晶。在電子線路中，錫須會(huì)引起短路，降低電子器件的可靠性，甚至引發(fā)電子器件故障或失效.。
1959年Arnold曾發(fā)現(xiàn)向錫中添加一定量的鉛(即Sn-Pb合金鍍層)可以減小錫須的生長(zhǎng)傾向，但是鉛是一種有毒的重金屬，主要損傷人類的神經(jīng)系統(tǒng)，且電子產(chǎn)品中焊料用鉛在技術(shù)上難以回收。出于環(huán)保、人類自身健康的考慮，我國(guó)以及日本、歐盟、美國(guó)等國(guó)家或地區(qū)相繼出臺(tái)相關(guān)法規(guī)或法令明文限制或禁止在電子電氣設(shè)備中使用鉛，使電子產(chǎn)品無(wú)鉛化。電子行業(yè)無(wú)鉛化的趨勢(shì)，意味著電子工業(yè)中最廣泛應(yīng)用的Sn-Pb焊料將成為歷史，同時(shí)廣泛應(yīng)用的Sn-Pb鍍層也將被新的金屬或合金所取代，作為可能的替代者，純Sn， Sn-Bi， Sn-Cu，Sn-Ag都被研究過，它們均有潛在的錫須自發(fā)生長(zhǎng)問題。

1．錫須現(xiàn)象及其危害

1951年，Compton、Mendizza和Arnold發(fā)現(xiàn)錫須會(huì)導(dǎo)致電路短路，并導(dǎo)致電容器失效，這一問題引發(fā)人們對(duì)錫須進(jìn)行了長(zhǎng)期深入而廣泛的研究。但是至今，錫須現(xiàn)象還存在大量未解之謎。
錫須的危害在于其可能連接到其它線路上，并導(dǎo)致電氣短路，斷裂后落在某些移動(dòng)及光學(xué)器件中引起這些器件的機(jī)械損害，處于相鄰導(dǎo)體之間可能產(chǎn)生弧光放電，燒壞電氣組件等。由于錫須通常在電鍍之后幾年甚至幾十年才開始生長(zhǎng)，因而會(huì)對(duì)產(chǎn)品的可靠性造成潛在的危害比較大。

錫須導(dǎo)致的失效形式主要有四種:
（1）在低電壓下，由于電流比較小，錫須可以在臨近的不同電勢(shì)表面產(chǎn)生穩(wěn)定持久的短路;

（2）在高電壓下，由于電流足夠高而超過錫須的熔斷電流時(shí)(通常為50mA)，可以熔斷錫須從而導(dǎo)致瞬時(shí)短路;

（3）由錫須短路導(dǎo)致金屬蒸發(fā)放電，在航天器真空環(huán)境中，可誘發(fā)一個(gè)穩(wěn)定的等離子電弧，并導(dǎo)致電子設(shè)備的迅速毀壞

（4）在震動(dòng)環(huán)境中，錫須會(huì)脫落，它不但會(huì)引發(fā)上述的電路短路，也可造成精密機(jī)械的故障或破壞

錫須可以呈現(xiàn)各式各樣的形態(tài)，如直線型、彎曲、扭結(jié)、環(huán)形等;其截面也形狀各異，有星形、帶形、不規(guī)則多邊形以及花形等;錫須表面一般有縱向的條紋或者凹槽，也有的錫須表面比較光滑。其長(zhǎng)度從幾μm、幾十μm、到幾百μm不等，甚至達(dá)到數(shù)毫米。錫須多從錫鍍層表面上萌生并生長(zhǎng)，文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的多數(shù)研究工作也多集中于此，近年來也有一些報(bào)導(dǎo)在大塊錫基合金表面發(fā)現(xiàn)有錫須生長(zhǎng)。
下圖為一組掃描電鏡圖片，顯示錫須的典型形貌。

2. 影響錫須生長(zhǎng)的因素
影響錫須生長(zhǎng)的因素很多，主要包括應(yīng)力、金屬間化合物、鍍層晶粒大小與取向、基體材料、鍍層厚度、溫度及環(huán)境、電鍍工藝、合金元素、輻射等。
錫須的生長(zhǎng)主要發(fā)生在室溫附近。升高溫度可以加快錫原子的擴(kuò)散速度，有利于錫晶須生長(zhǎng)。但是溫度較高的時(shí)候(如超過100℃后)，應(yīng)力(錫須生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力)被松弛，它又不利于錫須生長(zhǎng)。
據(jù)報(bào)導(dǎo)，錫須在115℃時(shí)生長(zhǎng)變慢，到150℃以上就停止生長(zhǎng)。一般認(rèn)為50～60℃是最適宜錫須生長(zhǎng)的溫度。
濕度對(duì)錫須生長(zhǎng)也有影響。相對(duì)濕度越高，錫須生長(zhǎng)越快，特別當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到85%以上時(shí)。目前濕度已經(jīng)作為加速錫須生長(zhǎng)手段的一部分，但微觀機(jī)理目前并不清楚。因此，環(huán)境對(duì)錫須生長(zhǎng)的影響尚需要進(jìn)一步的探索。
到目前為止，工業(yè)界尚未找到完全能防止錫須生長(zhǎng)的方法，但是，由于錫須對(duì)電子產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性存在著實(shí)際的威脅，目前工業(yè)界最為關(guān)注的是如何采取有效的措施能夠抑制錫須的生長(zhǎng)。但是隨著電子產(chǎn)品無(wú)鉛化進(jìn)程的推進(jìn)，Sn-Pb合金鍍層已不再可用，有必要尋求其它有效抑制錫須生長(zhǎng)的方法。

3. 錫須生長(zhǎng)加速實(shí)驗(yàn)
評(píng)估錫須生長(zhǎng)傾向最簡(jiǎn)單的方法就是在室溫下自然存放，但這個(gè)方法很費(fèi)時(shí)。因?yàn)殄a須生長(zhǎng)是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)期的過程，要想研究錫須生長(zhǎng)行為，利用短期試驗(yàn)來評(píng)估錫須生長(zhǎng)傾向就必須探尋合適而有效的錫須生長(zhǎng)的加速實(shí)驗(yàn)方法。

3.1. 高溫高濕環(huán)境
高溫高濕環(huán)境是評(píng)估錫須生長(zhǎng)趨勢(shì)的一種重要手段，不過控制參數(shù)還不一致，表1是不同單位所采用的參數(shù).在多數(shù)情況下，這種條件下錫須生長(zhǎng)較快，因此可以定量評(píng)估錫須的生長(zhǎng)趨勢(shì)，但是由于高溫高濕環(huán)境可能引起的鍍層腐蝕，這種加速生長(zhǎng)試驗(yàn)與實(shí)際工作環(huán)境有一定差別。

3.2. 冷熱溫度循環(huán)
在溫度循環(huán)(Thermal Cycling)條件下，錫須可加速生長(zhǎng)，其具體原因還不清楚，有一種基于應(yīng)力的理解是鍍層與基體之間的熱膨脹系數(shù)CTE (coefficient of thermalexpansion)失配造成的內(nèi)應(yīng)力加速錫須生長(zhǎng)。目前很多單位，包括一些軍工標(biāo)準(zhǔn)均把冷熱溫度循環(huán)作為評(píng)估錫須生長(zhǎng)趨勢(shì)的首要加速實(shí)驗(yàn)方法之一，

控制參數(shù)如表2:

3.3. 高溫存放
通過適當(dāng)提高溫度來加速錫須的生長(zhǎng)，目前一般認(rèn)為50～60℃是錫須生長(zhǎng)的最快的溫度。 但也有一些不同的觀點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)。目前NEMI(美國(guó)電子制造促進(jìn)會(huì))建議在50℃和85℃下存放，并推薦用這種方法加快錫須生長(zhǎng)。它的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)過程控制參數(shù)相對(duì)較少，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用也較低。

3.4 通電加速

建議采用通大電流的方法來加速錫鍍層錫須的生長(zhǎng)或采用脈沖電流加快錫須的生長(zhǎng)。目前這一方法的微觀機(jī)制還不清楚，一種定性的解釋是：物質(zhì)內(nèi)部的原子在電流作用下定向移動(dòng)，這一過程大大地加快了錫鍍層中原子擴(kuò)散的速度，導(dǎo)致加速錫須的生長(zhǎng)。應(yīng)用通大電流加速錫須生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)在于：可以通過改變電流大小和脈沖時(shí)間來定量評(píng)估錫須生長(zhǎng)傾向。但是目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果還不穩(wěn)定，而且通電過程中會(huì)帶來較大的焦耳熱效應(yīng)，需要冷卻以使產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)掉，這也是實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定可能的原因之一，這一點(diǎn)在今后的研究中要加以特別注意。

4. 錫須的測(cè)量
針對(duì)不規(guī)則的錫須的長(zhǎng)度測(cè)量，建議使用標(biāo)準(zhǔn)JESD 22A121.01-2005 Test Method for Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes規(guī)定的每一段的直線距離加和的方法（如圖6）。這主要是因?yàn)殄a須存在的環(huán) 境不穩(wěn)定，由于機(jī)械振動(dòng)或者外來壓力等等都可能導(dǎo)致錫須伸直，超過標(biāo)準(zhǔn)JESD201A Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes規(guī)定中所測(cè)得的距離（如圖7）。

5. 結(jié)論
（1） 錫須自發(fā)生長(zhǎng)是一種自然現(xiàn)象，已經(jīng)研究多年，電子產(chǎn)品無(wú)鉛化的趨勢(shì)，使得無(wú)鉛鍍層自發(fā)生長(zhǎng)錫須問題再次成為工業(yè)界面臨的亟需解決的重大問題。

（2）錫須形貌具有多樣性，控制錫須形貌的因素目前還不清楚。

（3）影響錫須生長(zhǎng)的因素很多，包括應(yīng)力大小、金屬間化合物、鍍層晶粒大小及擇優(yōu)取向、基體材料、鍍層厚度、溫度及環(huán)境、電鍍工藝、合金元素、輻射等。
 

（4）加快錫須生長(zhǎng)是研究和評(píng)估錫須的重要一環(huán)，目前有多種方法和標(biāo)準(zhǔn)，如高溫高濕環(huán)境(H-H)、冷熱溫度循環(huán)(T-C)、高溫存放(H-T)、通電加速，但是還沒有達(dá)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前在上述所有的領(lǐng)域中都仍有大量的研究工作要做。

6. 參考標(biāo)準(zhǔn)
JYT 010-1996 分析型掃描電子顯微鏡方法通則
JESD 22A121.01 Test Method for Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes
JESD201A Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes
IEC 60068-2-82-2009 Environmental testing - Part 2-82: Whisker test methods for electronic and electric components

作者簡(jiǎn)介：
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