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无铅电子时代的“隐形杀手”---锡须

浏览次数:0   更新时间:1/6/2019 3:08:00 PM 发布人:admin

重庆群崴电子材料有限公司

背景Background

在无铅电子时代,镀锡工艺在商业化和高可靠性的电子器件上是很常见的。锡镀层不仅具有优良的可焊性和导电性,而且还具有良好的抗氧化性及耐腐蚀性,同时还具有一定的美观性。不幸的是,电镀纯锡会生长单晶结构的晶须,这成为电子器件不期失效罪魁祸首。

1 锡须问题而造成的事故

应用

事故原因

医疗事故

心脏起搏器

紧急召回:锡须短路造成起搏器无法工作

军事事故

F-15雷达

镀纯锡的混合型微循环电路盖子生长锡须

美国国家导弹项目

继电器生长锡须

Phoenix 空对空导弹

混合型微循环电路内部生长锡须

空间事故

GALAXY Ⅳ

完全失控:继电器生长锡须

GALAXY Ⅶ

完全失控:继电器生长锡须

SOLIDARDAD Ⅰ

完全失控:继电器生长锡须

 

尽管锡须问题在上世纪四十年代中期已经被提出,并有很多事故归因于锡须,但是镀锡工艺在商业和国防器件上仍很普遍。既然这是一个躲不开的问题,我们就需要更好的认识---锡须。

1 镀纯锡电子期间生长锡须图片

锡须 Tin Whisker

在引入锡须概念之前,我们先了解晶须的一些基础知识。晶须是一种头发状的晶体,它能从固体表面自然的生长出来,也称为“固有晶须”。晶须可以锡、镉、锌,铟等纯金属上出现,在铅、镍、金,银上鲜有见到。锡须是晶须的一种,是在锡表面自然生长的晶须。锡须生长过程中,客观因素的影响或是锡晶粒排列取向改变使锡须生长方向发生改变,形成不同生长形态的锡须,形状一般是柱状、扭结、丘起、环状等。

 

2 常见的几种锡须形态照片

锡须的物理性能 Physical Properties

典型的锡须直径在3-4um,长度在2mm,锡须的生长速度一般在0.03-9mm/yr,锡须的生长密度在3-500/mm2

2 JESD22A121中对锡须密度等级界定

锡须是无应力和内部缺陷的单晶体,具有很大的强度,有文献指出,机械振动和摆动不能撕断锡须的连接。

 

锡须的电性能Electrical Properties

  研究指出在给定条件下,锡须的理论负载能力满足方程式:

  其中A是锡须的横截面积,mm2;L是锡须的长度,cm。理论计算直径2.8um,0.8mm的锡须熔断电流值为5.85mA,而实际测量该尺寸的锡须熔断电流为22mA。预期值和实际值存在差异这和方程式的理想化模型及锡须的横截面积测量的复杂性有关。值得注意的是,锡须的载流能力与锡须的长度负相关。

锡须的生长条件 Conditions for Whisker Growth

  锡须一般生长电镀锡层的表面,影响锡须生长的关键参数:基板材质、熔锡、锡纯度、镀层厚度、温度等。

基板材质  锡须的生长因基板的材质而异,有研究指出,铜基板上电镀锡约两天就会生长出锡须,而钢质基板则在几个月后才会有锡须生长。另有研究给出几种基板材质生长锡须的可能性:黄铜>电沉积铜>片状铜>钢>电镀镍>电镀铅>锡镍合金。基板表面粗糙度和CTE不匹配因素不被考虑。

熔锡  电沉积锡能够明显的抑制锡须的生长。研究指出,熔锡抑制锡须生长是因为高温条件下,锡晶粒呈规则的多边形,相较于电镀锡更不可能再结晶和产生内应力。

纯度  在进行电镀前,加入适量的铅可以很好的抑制锡须的生长。在锡铅合金镀层(Pb30wt%)发现50um长的锡须,然而相较于纯锡中动则几毫米的锡须已经很短了。研究指出1%Pb就能很好的抑制锡须的生长,但是为了防止因电沉积不均匀而出现的富锡区,通常推荐加入2%Pb,当然更为严苛军事、航空应用中,多达3%Pb

镀层厚度  研究表明锡须的生成与镀层厚度之间存在一个临界值,当镀层超过某一厚度时,锡须便不会发生。目前有关研究指出8-10um是这个临界阈值。

温度  锡须生长与温度的关系尚未有定论。但是目前研究表明当温度超过120℃时,其生长缓慢,当温度超过150℃时,其生长完全停止。有研究者指出52℃是晶须生长的最优温度。温度循环产生的热应力也可能促进锡须的生长。

    当然,震动、湿度、腐蚀、气压,电镀过程等也有对锡须的生长产生影响。

锡须的形成与生长理论Formation and Theory

   和树枝晶不同,锡须不是由电磁场作用导致的,而是一种纯粹的机械现象。目前锡须生长的真正原因尚不可知。自上世纪50年代初期,人们提出了许多理论机制来解释锡须的生长,目前比较有代表性有4种。

理论类别

机制

氧化层理论

镀锡层表面较薄处开裂,锡须生长得以发生释放局部内应力,但无法解释真空条件下锡须的生长

差排理论

在锡须中心的螺旋差排为锡原子的移动通道,锡原子移动到锡须的顶端沉积,而使锡须成长,但是与利用电子显微镜观察锡须型态的研究结果不符

压应力理论

当铜锡原子在室温下产生相互扩散并反应形成Cu6Sn5介金属,会产生压应力作为驱动力, 导致锡须成长,应力的来源众说不一,包括界面扩散反应应力、镀锡层与基材热膨胀系数不匹配应力、电迁移应力等

再结晶理论

认为底材因受力而差排堆积,导致再结晶,产生一个新的晶核在底材表面,此晶核的尺寸必须约在1um左右,并且与底材之间存在一个不可移动的边界,才能使原子移入晶核内,空孔排出晶核外,使再结晶的新晶核可以经由晶粒成长延伸成锡须,若不可移动的边界不存在,晶界移动将会发生,无法导致锡须产生

锡须的加速试验方法 Test Methods

目前日本电子信息技术产业协会JEITA和全美电子制造商协会NEMISoldertec等三方已经认可的晶须加速试验方法包括如下3个:(1)高温高湿试验(温度为+60℃,湿度为93±2-3%);(2)耐冲击试验(温度在-55℃-40~80℃,具体参数未定);(3)室温放置试验(放置在20-25℃室温条件下)。

锡须的危害Dangerous

锡须最为严重的是其存在一定的蛰伏期。锡须的萌芽期具有不确性,有的是8-10年,有的20,这也就给我们的检测带来的困难。基于锡须的横截面与长度,锡须导致的短路形式可以分为三种:1.永久性短路;2.短暂性短路;3.即时性短路。其中永久性短路危害最大。

锡须的抑制生长 Inhibition

尽管锡须的生长机制还不是很明确,但是有关如何抑制锡须生长的方式,研究工作已经取得一定的成果。

3 常见的几种抑制锡须生长的文件

方案

备注

热处理(退火,熔化,回流)

将镀层熔化后再凝固或改善晶格缺陷,释放电镀内应力

中间镀层(Ni

改善镀层内应力,抑制中间化合物形成

镀层合金化

加入一定量的BiPbAg

镀暗锡

减少应光亮剂加入带来的内应力

大晶粒镀层

减少晶界扩散

镀厚锡

一般在8-12um

 

结语 Epilogue

尽管锡须现象已经发现半个多世纪,但是真正受到重视是来自无铅化制程, 随着焊点密集度增加和间距缩小,使得锡须所造成元件短路及损坏的风险提高,寻找抑制锡须成长的方法,建立有效的锡须可靠度测试标准,针对锡须的成长机制继续深入研究很有必要。

参考文献 References

Captain Mark E.Mcdowell,Tin whiskers:A case study

蔡碧娥,锡须的生长机制

吉圣平,有关于无铅化电子组装的知识

Jong S. KadeschThe Continuing Dangers of Tin Whiskers and Attempts to Control Them with Conformal Coating

Jong S. KadeschEffects of Conformal Coat on Tin Whisker Growth

Henning LeideckerElectrical Failure of an Accelerator Pedal Position Sensor Caused by a Tin Whisker and Discussion of Investigative Techniques Used for Whisker Detection

重庆群崴电子材料有限公司是一家专业从事电子封装材料研发和生产的高新技术创新型企业。公司拥有多项相关技术专利,是台湾和大陆雾化成型BGA锡球技术专利持有人。公司目前与国内多所高校保持合作关系,并设有研发中心,具有专业的产品研发能力,可生产BGA锡球、铜核球、锡柱、增强型锡柱、锡丝、锡膏、预成形焊片等封装产品,并能进行客制化研发与生产。

 

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