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錫須介紹與觀察

2015-05-04  瀏覽量:2175

五十路錫須是在純錫或錫合金鍍層表面自發生長出來的壹種細長形狀的錫的結晶。在電子線路中,錫須會引起短路,降低電子器件的可靠性,甚至引發電子器件故障或失效.。
1959年Arnold曾發現向錫中添加壹定量的鉛(即Sn-Pb合金鍍層)可以減小錫須的生長傾向,但是鉛是壹種有毒的重金屬,主要損傷人類的神經系統,且電子產品中焊料用鉛在技術上難以回收。出於環保、人類自身健康的考慮,我國以及日本、歐盟、美國等國家或地區相繼出臺相關法規或法令明文限制或禁止在電子電氣設備中使用鉛,使電子產品無鉛化。電子行業無鉛化的趨勢,意味著電子工業中最廣泛應用的Sn-Pb焊料將成為歷史,同時廣泛應用的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生長問題。


1.錫須現象及其危害

1951年,Compton、Mendizza和Arnold發現錫須會導致電路短路,並導致電容器失效,這壹問題引發人們對錫須進行了長期深入而廣泛的研究。但是至今,錫須現象還存在大量未解之謎。
錫須的危害在於其可能連接到其它線路上,並導致電氣短路,斷裂後落在某些移動及光學器件中引起這些器件的機械損害,處於相鄰導體之間可能產生弧光放電,燒壞電氣組件等。由於錫須通常在電鍍之後幾年甚至幾十年才開始生長,因而會對產品的可靠性造成潛在的危害比較大。

錫須導致的失效形式主要有四種:
(1)在低電壓下,由於電流比較小,錫須可以在臨近的不同電勢表面產生穩定持久的短路;


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


(3)由錫須短路導致金屬蒸發放電,在航天器真空環境中,可誘發壹個穩定的等離子電弧,並導致電子設備的迅速毀壞


(4)在震動環境中,錫須會脫落,它不但會引發上述的電路短路,也可造成精密機械的故障或破壞


錫須可以呈現各式各樣的形態,如直線型、彎曲、扭結、環形等;其截面也形狀各異,有星形、帶形、不規則多邊形以及花形等;錫須表面壹般有縱向的條紋或者凹槽,也有的錫須表面比較光滑。其長度從幾μm、幾十μm、到幾百μm不等,甚至達到數毫米。錫須多從錫鍍層表面上萌生並生長,文獻中報導的多數研究工作也多集中於此,近年來也有壹些報導在大塊錫基合金表面發現有錫須生長。
下圖為壹組掃描電鏡圖片,顯示錫須的典型形貌。

 

錫須電鏡圖

錫須電鏡圖

錫須電鏡圖


2. 影響錫須生長的因素

影響錫須生長的因素很多,主要包括應力、金屬間化合物、鍍層晶粒大小與取向、基體材料、鍍層厚度、溫度及環境、電鍍工藝、合金元素、輻射等。
錫須的生長主要發生在室溫附近。升高溫度可以加快錫原子的擴散速度,有利於錫晶須生長。但是溫度較高的時候(如超過100℃後),應力(錫須生長的驅動力)被松弛,它又不利於錫須生長。
據報導,錫須在115℃時生長變慢,到150℃以上就停止生長。壹般認為50~60℃是最適宜錫須生長的溫度。
濕度對錫須生長也有影響。相對濕度越高,錫須生長越快,特別當相對濕度達到85%以上時。目前濕度已經作為加速錫須生長手段的壹部分,但微觀機理目前並不清楚。因此,環境對錫須生長的影響尚需要進壹步的探索。
到目前為止,工業界尚未找到完全能防止錫須生長的方法,但是,由於錫須對電子產品的長期可靠性存在著實際的威脅,目前工業界最為關註的是如何采取有效的措施能夠抑制錫須的生長。但是隨著電子產品無鉛化進程的推進,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的方法。


3. 錫須生長加速實驗
評估錫須生長傾向最簡單的方法就是在室溫下自然存放,但這個方法很費時。因為錫須生長是壹個長時期的過程,要想研究錫須生長行為,利用短期試驗來評估錫須生長傾向就必須探尋合適而有效的錫須生長的加速實驗方法。


3.1. 高溫高濕環境
高溫高濕環境是評估錫須生長趨勢的壹種重要手段,不過控制參數還不壹致,表1是不同單位所采用的參數.在多數情況下,這種條件下錫須生長較快,因此可以定量評估錫須的生長趨勢,但是由於高溫高濕環境可能引起的鍍層腐蝕,這種加速生長試驗與實際工作環境有壹定差別。

 

錫須觀察


3.2. 冷熱溫度循環
在溫度循環(Thermal Cycling)條件下,錫須可加速生長,其具體原因還不清楚,有壹種基於應力的理解是鍍層與基體之間的熱膨脹系數CTE (coefficient of thermalexpansion)失配造成的內應力加速錫須生長。目前很多單位,包括壹些軍工標準均把冷熱溫度循環作為評估錫須生長趨勢的首要加速實驗方法之壹,

 

控制參數如表2:

 

錫須測量

 


3.3. 高溫存放
通過適當提高溫度來加速錫須的生長,目前壹般認為50~60℃是錫須生長的最快的溫度。 但也有壹些不同的觀點和實驗證據。目前NEMI(美國電子制造促進會)建議在50℃和85℃下存放,並推薦用這種方法加快錫須生長。它的優點是實驗過程控制參數相對較少,實驗費用也較低。


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或采用脈沖電流加快錫須的生長。目前這壹方法的微觀機制還不清楚,壹種定性的解釋是:物質內部的原子在電流作用下定向移動,這壹過程大大地加快了錫鍍層中原子擴散的速度,導致加速錫須的生長。應用通大電流加速錫須生長的優勢在於:可以通過改變電流大小和脈沖時間來定量評估錫須生長傾向。但是目前實驗結果還不穩定,而且通電過程中會帶來較大的焦耳熱效應,需要冷卻以使產生的熱量迅速散發掉,這也是實驗結果不穩定可能的原因之壹,這壹點在今後的研究中要加以特別註意。


4. 錫須的測量
針對不規則的錫須的長度測量,建議使用標準JESD 22A121.01-2005 Test Method for Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes規定的每壹段的直線距離加和的方法(如圖6)。這主要是因為錫須存在的環 境不穩定,由於機械振動或者外來壓力等等都可能導致錫須伸直,超過標準JESD201A Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes規定中所測得的距離(如圖7)。

 

錫須測量

錫須測量



 


5. 結論
(1) 錫須自發生長是壹種自然現象,已經研究多年,電子產品無鉛化的趨勢,使得無鉛鍍層自發生長錫須問題再次成為工業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)影響錫須生長的因素很多,包括應力大小、金屬間化合物、鍍層晶粒大小及擇優取向、基體材料、鍍層厚度、溫度及環境、電鍍工藝、合金元素、輻射等。
 

(4)加快錫須生長是研究和評估錫須的重要壹環,目前有多種方法和標準,如高溫高濕環境(H-H)、冷熱溫度循環(T-C)、高溫存放(H-T)、通電加速,但是還沒有達成統壹的標準。目前在上述所有的領域中都仍有大量的研究工作要做。


6. 參考標準
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


作者簡介:
MTT(美信檢測)是壹家從事材料及零部件品質檢驗、鑒定、認證及失效分析服務的第三方實驗室,網址:www.mttlab.com,聯系電話:400-850-4050。
 

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