劉強(qiáng)

（深圳市美信檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，深圳寶安，518108）

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摘要：本文內(nèi)容涉及錫須的危害及類型、影響錫須生長(zhǎng)的因素、錫須生長(zhǎng)加速實(shí)驗(yàn)方法、錫須長(zhǎng)度的測(cè)量方法等幾個(gè)方面。

關(guān)鍵詞：電子元器件；無鉛技術(shù)；錫須；晶須

1 引言

錫須是在純錫或錫合金鍍層表面會(huì)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。

在1959年Arnold曾發(fā)現(xiàn)向錫中添加一定量的鉛(即Sn-Pb合金)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)品無鉛化。電子行業(yè)無鉛化的趨勢(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，作為可能替代的純Sn、Sn-Bi、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu都被研究過，它們均有潛在的錫須自發(fā)生長(zhǎng)問題。

2 錫須的危害及類型

1951年，Compton和Arnold發(fā)現(xiàn)錫須會(huì)導(dǎo)致電路短路，并導(dǎo)致電器失效，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。

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后每年以0.03-0.9mm速率生長(zhǎng)，在一定的條件下，生長(zhǎng)速率可能增加100倍甚至更高。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30mA)，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)脫落或折斷，它不但會(huì)引發(fā)上述的電路短路，也可造成精密機(jī)械的故障或損壞。

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（見圖1~ 5）；錫須表面一般有縱向的條紋或者凹槽，也有錫須表面比較光滑，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)道在大塊錫基合金表面發(fā)現(xiàn)有錫須生長(zhǎng)。

圖1 直線型（Filament Whisker）錫須掃描電鏡圖片	圖2 彎折型（Kinked Whisker）錫須掃描電鏡圖片
圖3 卷曲型（Spiral Whisker）錫須掃描電鏡圖片	圖4 圓柱型（Column Whisker）錫須掃描電鏡圖片
圖5 小丘型（Hillock Whisker）錫須掃描電鏡圖片

3 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。

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。

4 錫須生長(zhǎng)加速實(shí)驗(yàn)方法

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。

4.1 高溫高濕

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是不同的測(cè)試參數(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。

表1 參考JESD201A不同樣品及不同等級(jí)錫的須測(cè)試條件

4.2 高溫存儲(chǔ)

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55℃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。

4.3 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 thermal expansion)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。

4.4 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。

5 錫須長(zhǎng)度的測(cè)量方法 

參考JESD 201A-2008 Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes中的規(guī)定測(cè)量其長(zhǎng)度^[1]（如圖6）。

圖6 參考JESD201A中錫須測(cè)量方法

6 討論

（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)品無鉛化的趨勢(shì)，使得無鉛鍍層自發(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、溫度循環(huán)、高溫存儲(chǔ)、通電加速，但是還沒有達(dá)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

7 參考標(biāo)準(zhǔn)

[1] JESD201A-2006 Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes.