锡晶须生长深度解析

在无铅化的今天，抑制锡晶须的形成又变成了人们必须要重新面对的课题。顺络电子中心实验室具备全方位的锡晶须生长评价技术，可进行锡晶须生长机理的研究以及电子产品锡晶须生长等级的可靠性认定。...

在过去的数十年中，元器件的引出端头使用Sn/Pb作为标准镀覆材料，就是因为铅的加入能抑制锡晶须的形成。而在无铅化的今天，抑制锡晶须的形成又变成了人们必须要重新面对的课题。顺络电子中心实验室具备全方位的锡晶须生长评价技术，可进行锡晶须生长机理的研究以及电子产品锡晶须生长等级的可靠性认定。

电子领域的无铅化迫使元器件制造商必须考虑替代铅的电镀材料，忍痛割除早已接受并使用长达30-40年的Sn/Pb电镀材料。由于成本和制造业的原因，似乎使用纯锡或富锡(Sn)合金成为无铅镀的主流，然而纯锡或富锡镀层形成潜在的"锡晶须(whisker)"，其形态参考图1 。锡晶须导致可靠性上的问题是人所共知的，最初报道于1940年，至今仍是电子业关注的的焦点。所谓锡晶须，是非常细的单晶纤维，是近乎完美的锡晶体结构，并像毛发一样生长。这种晶须的典型直径为5～10微米，并且能够达到大约几个毫米的长度。时至今日，对于锡晶须生长的确切过程，人们仍未完全理解。

锡晶须能够造成电气短路，也可能挣脱成碎片，造成机械或者其它电气问题。在该行业中，锡晶须造成的破坏性损害以十亿美元计。下表给出了因锡须问题而发生事故的各种报道，可见包括心脏起搏器、F15 战斗机雷达、火箭发动机、爱国者导弹、核武器等各种电子产品中都曾发生过因晶须问题而导致的事故。值得指出的是在卫星等太空电子产品中也已经发生了数起由锡晶须问题引起的故障甚至严重事故。因此，Sn晶须问题成为无铅化进程的一个重要的可靠性问题。

Sn晶须的生长属于一种自发的表面突起现象。Bell实验室较早报道了Sn电镀层上会出现自发生长的Sn晶须。对Sn晶须的结构性能进行研究得出：Sn晶须为单晶结构，Sn晶须的生长是自底部（根部）而非顶部方式进行的。在Sn晶须的生长机制上目前主要有三种解释，即位错运动机制、再结晶机制和氧化层破裂机制。

1.3.1  位错运动机制：位错运动机制：以扩散机制运动的位错提供了晶须生长源，晶须邻近区域的表面氧化过程产生反向表面张力，降低表面自由能，为其生长提供驱动力。有研究得出晶须的轴与位错的柏氏矢量平行，而氧化或活化的气氛、表面的小凸出物以及位错（尤其是螺位错）则是晶须生长的先决条件。也有学者提出了晶须形成和生长的螺旋位错模型，每个到达表面的完整位错环都使表面增加一个柏氏矢量厚度。

1.3.2  再结晶机制：Ellis比较了当时已知的所有的生长方向，发现并非所有晶须的生长方向都在低指数滑移面上，并据此认为位错理论无法解释晶须在非滑移面的生长，而需要另一种理论也就是再结晶来解释。晶须的形成和生长可以被看成“特殊形式的再结晶”。Glazunova 和Kudryavtsev 用镀层热处理后的晶粒生长被抑制的现象证明镀层晶粒的再结晶对晶须生长起到重要影响。Kakeshita等发现细晶粒Sn镀层中的位错环数量比粗晶粒Sn镀层中的多，并据此推测晶须是在再结晶晶粒上长出来的。

1.3.3  氧化层破裂机制：Sn 原子趋向于从高应力区运动到低应力区，由此发展出促使晶须生长的压应力梯度概念。当镀层表面的小突起不足以缓释晶须生长介质中直达表面的应力时，就会借助晶须的生长来消除。例如在石英基板上分别真空沉积Cu/Sn双层薄膜和单层Sn薄膜，发现晶须只在下面有Cu层的Sn 上出现，据此把Cu/Sn镀层结构中晶须生长的内部压应力归结为Cu6Sn5金属间化合物（IMC，Intermetallic Compound）的形成，并发展出晶须形成和生长的“氧化层破裂”生长理论。晶须从表面氧化层薄弱的破裂处长出，局部压应力得到释放。晶须自身生长中形成的表面氧化膜制约了晶须侧面方向的生长，形成尺寸保持不变的横截面（图2），被晶粒释放的应变能与生成表面氧化物所耗能量之间的平衡决定了晶须直径。

1.4.1  采用合金镀层：不用纯锡镀层，改用合金镀层是防止晶须的一种应用久远且广泛的方法。不同厂家可以采用不同的合金，截止目前采用较多的合金有Sn-Pb（已被禁用）、Sn-Bi、Sn-Ag和Sn-Cu等。

1.4.2  热处理：对Cu基材上的纯锡镀层进行150℃和1h的热处理可以抑制晶须的发生，这是1960年前后就采用的方法，而在欧美至今仍广泛采用。热处理可以消除纯锡镀层成膜过程中的残余应力，抑制由于Cu6Sn5的生长而带来的镀层压缩应力，从而抑制了晶须的生长。

1.4.3  改变基体金属：不要在Cu上直接镀Sn，而先在Cu上镀一层Ni后再在Ni上镀Sn，Ni起到了Sn向Cu中的扩散。实验还表明，当Ni/Sn镀层较薄时，因Sn向Ni中的主导扩散结果，在Sn层中形成了拉应力。正因为如此，近50年来，这种技术已被广泛应用于无源元件和连接器端子的制作中。其主要缺点是Ni/Sn镀层的制备设备难以和生产线原有设备兼容，且制备工艺较复杂。

1.4.4  镀层厚度控制：镀层厚度晶须的产生有着比较复杂的影响。工作环境不同其影响也不同。对于在室温下保存的元器件而言，如上所述，为延长其产生的晶须的潜伏期，要求适当增加镀层的厚度；但是也有实验结果表明，在高温高湿和温度循环作用下，镀层厚度增加反而助长了晶须的形成。有人实验，对于非光亮锡镀层而言，当其镀层厚度小于0.2μm时，不会产生晶须，只有当厚度达到0.5μm以上时才产生晶须。

1.4.5  优化镀液和镀敷工艺：镀液和镀敷工艺的优劣影响镀层结晶方位和晶粒形状，从而影响晶须的形成。镀层粗晶粒与细晶粒相比，可以有效缓解晶须生长。原因在于粗晶粒晶界较少，有效抑制了原子扩散。

1.5.1  锡晶须培养的实验方法：依据《JESD22A121 Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes》和《JESD201 Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes 》的标准规定，需按如下三个条件进行锡晶须生长评估：

1.5.2  锡晶须的长度测试方法：《JESD22A121 Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes》和《JESD201 Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes 》有锡须长度测量方法的规定，如图3和图4所示，目前一般采用新标准测试锡须长度。



1.5.3  锡晶须长度合格判定标准：

1.5.3.1  在汽车电子被动元器件认证规范《AEC-Q200 Stress Test Qualification for Passive component》中要求，元器件表面锡须生长长度不允许大于50μm。在松下常规和汽车电子元器件认证规范中，所给出的判定标准也是锡晶须长度不大于50μm。

1.5.3.2  JESD201对锡晶须长度的要求如下表

1.5.3.2.1  Class 3：军事、航空航天和医疗等生命或军事应用领域，纯锡和高锡合金端面一般不允许生长锡晶须。

1.5.3.2.2  Class 2：电信基础设施设备、高端服务器、汽车等关键商业应用。

1.5.3.2.3  Class 1：工业或消费类产品，这类产品一般具备中等使用寿命或锡须破碎对其影响不大。

1.5.3.2.4  Class 1A：消费类产品，这类产品一般具备较短使用寿命或锡须破碎对其几乎没有影响。

样品的分析流程：拍摄样品外貌→扫描电子显微镜观察微观形貌。

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