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錫須的危害與類型

2017-04-07  瀏覽量:1015

劉強

(深圳市美信檢測技術股份有限公司,深圳寶安,518108)

 

本文為美信檢測原創文章,未經允許,禁止私自轉載,尤其是不註明出處的非法刊登及相關商業用途。版權所有,違者必究!

 

摘要:本文內容涉及錫須的危害及類型、影響錫須生長的因素、錫須生長加速實驗方法、錫須長度的測量方法等幾個方面。

 

關鍵詞:電子元器件;無鉛技術;錫須;晶須

 

五十路

錫須是在純錫或錫合金鍍層表面會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。

 

在1959年Arnold曾發現向錫中添加壹定量的鉛(即Sn-Pb合金)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生長問題。

 

2 錫須的危害及類型

1951年,Compton和Arnold發現錫須會導致電路短路,並導致電器失效,這壹問題引發人們對錫須進行了長期深入而廣泛的研究。

 

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後每年以0.03-0.9mm速率生長,在壹定的條件下,生長速率可能增加100倍甚至更高。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30mA),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,錫須會脫落或折斷,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損壞。

 

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(見圖1~ 5);錫須表面壹般有縱向的條紋或者凹槽,也有錫須表面比較光滑,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,近年來也有壹些報道在大塊錫基合金表面發現有錫須生長。

 

錫須觀察與測量錫須觀察與測量
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
錫須觀察與測量錫須觀察與測量
圖3 卷曲型(SpiralWhisker)錫須掃描電鏡圖片圖4 圓柱型(Column Whisker)錫須掃描電鏡圖片
錫須觀察與測量 
圖5 小丘型(HillockWhisker)錫須掃描電鏡圖片 

 

3 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。

 

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。

 

4 錫須生長加速實驗方法

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。

 

4.1 高溫高濕

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是不同的測試參數,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。

 

錫須觀察與測量

表1 參考JESD201A不同樣品及不同等級錫的須測試條件

 

4.2 高溫存儲

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55℃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。

 

4.3 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 thermal expansion)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。

 

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。

 

5 錫須長度的測量方法 

參考JESD 201A-2008 Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes中的規定測量其長度[1](如圖6)。

 

錫須觀察與測量

圖6 參考JESD201A中錫須測量方法

 

6 討論

(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、溫度循環、高溫存儲、通電加速,但是還沒有達成統壹的標準。

 

7 參考標準

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

 

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