电子产品中的锡须现象与危害

电子产品中的锡须现象与危害

关键字：锡须电子行业电子连接器电器短路

背景

在政府法规和市场的共同推动下，全球电子行业已经进入无铅电子时代1,2。未能及时转到无铅电子的公司将为国际市场所淘汰。为了适应这个趋势，许多电子元件制造商用纯锡和含锡量很高的无铅合金取代铅合金进行表面处理。制造商是根据它们的价格、耐腐蚀性以及它们与含铅焊料和无铅焊料的兼容性作出这个选择的。使用不含铅的锡进行表面处理的缺点是会形成锡须。

什么是锡须？

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”。晶须在很多金属上生长，最常见的是在锡、镉、锌、锑、铟等金属上生长。甚至有时锡铅合金上也会生长晶须，但发生概率较小。晶须很少出现在铅、铁、银、金、镍等金属上面。一般来说，晶须现象容易出现在相当软和延展性好的材料上，特别是低熔点金属。锡的晶须简称锡须，它是一种单晶体结构，导电。锡须可以呈现各种形态，如直线形、弯曲、扭结甚至环形等，其截面常呈现不规则的形状，外表面有不规则的条纹，就像是从不规则形状的模具中挤压出来的一样。大多数的锡须在其根部存在着凹坑。

锡须的产生和成长机理

（1）内部应力型锡晶须产生和生长的机理

对这些锡晶须现象机理的解析正在逐步展开。关于锡晶须产生的机理有以表面氧化为驱动力的转移论和Sn原子通过晶界扩散作为锡晶须而生长的再结晶理论。还有在Sn镀层中，来自基底材料的Cu扩散，形成金属间化合物，施加在Sn镀层上的压缩应力成了锡晶须生长的驱动力。还有人认为因为与Sn镀层的主配向呈不同配向而产生锡晶须。锡晶须经氧化膜的裂纹而生长，该成长可用棱镜形转移图说明。这些锡晶须的产生机理与外部应力型锡晶须不同，但是由扩散和氧化等加给Sn系镀膜上压力的事实，意味着它就是锡晶须产生和成长的原因。这些内部应力型锡晶须，因扩散和氧化是主要原因，所以在较长时间内锡晶须有成长的特性。

（2）外部应力型锡晶须产生和成长的机理

外部应力型锡晶须的特征是众所周知的，即由加在Sn系镀膜上过大的外部应力造成的，它导致锡晶须明显快速地成长。有报告认为，锡晶须的形成与受三维压缩应力和结晶粒径等的扩散蠕动现象有关。该报告中根据纳米强化法所得的Sn镀层硬度和蠕变指数，模拟加给sn系镀膜上长时间的应力分布。研究结果认为，与JEITA观察到的锡晶须生长相对照，其结果非常一致。

锡须的危害

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。时至今日，对于锡晶须生长的确切过程，人们仍未完全理解。过去数十年所使用Sn／Pb作为标准镀覆材料，就是因为铅的加入能抑制晶须的形成。而在无铅化的今天，抑制锡晶须的形成又变成了人们必须重新面对的课题。

在电子行业急于应对RoHS的多数是电子连接器制造商，他们主要是把Sn-Cu镀层用在连接器引脚上，从2002年开始逐渐向市场推销自己的产品。但到了2003年就暴露出了锡晶须的问题，不单是连接器，其它电子产品的可靠性也受到威胁，锡晶须成为整个电子行业关注的大课题。大量小型化的家用电器应用电子连接器最多，尤其是引脚间距窄更容易受到锡晶须造成的短路障害。根据这些问题，本着解析锡晶须现象和规范锡晶须试验方法的目的，JEITA于2003年组织了电子连接器的锡晶须研究计划。从这个计划的调查结果中得知：主要发生在电子连接器上的锡晶须现象，是加在引脚连接部位等镀层上的机械外部应力造成的。R．M．Fisher在1954年的研究中，曾得出“当sn镀层被施加机械的外部应力时，锡晶须的成长被加速”的结论。同时也指出，锡晶须产生和成长的主要原因是当初镀层的内部应力所致。基于此，为了对尚未产生锡晶须问题的锡晶须进行评价，曾采用在无外部应力负荷的状态下进行高温高湿试验和温度循环试验等方法。后来，s．M．Arnold于1966年发表了“在sn中含Pb达1％以上，就可起到抑制锡晶须”的报告。这一发现，使对锡晶须有抑制作用的Sn—Pb镀层在电子产品中得到广泛的应用，同时也使得对锡晶须的产生和成长现象及其它的机理的剖析大多都没有完成，这一切也是再次引发研究锡晶须问题的较大原因。

解决措施

1、电镀雾锡，改变其结晶的结构，减小应力；

2、在150镀下烘烤2小时退火；（实验证明，在温度90镀以上，锡须将停止生长）

3、Enthone FST浸锡工艺添加少量的有机金属添加剂，限制锡铜金属互化物的生成；

4、在锡铜之间加一层阻挡层，如镍层。

结论

锡须产生的机理是由各种复杂因素构成的，为了说明这些机理，必须有高超的解析技术，这己成为解析机理的最大障碍。尽管各连接器制造商也在实用中对锡晶须的抑制效果做检测，但为了弄清楚锡晶须究竟能生长到何种程度，增强对外部应力型锡晶须试验方法的可信性，还必须做进一步的研究