减轻镀锡表面的锡须生长

减轻镀锡表面的锡须生长
使用纯锡铅表面处理时，可能会生长锡须，这是值得关注的问题之一。

近年来，人们已经做了大量的测试和分析工作，对于锡须在各种不同环境条件下的生长成因，有更多了解。

本文将讨论，在电子设备工程联合委员会（JEDEC）标准推荐的三个加速测试期间，锡须生长的机制。

作者：Sheila Chopin、Peng Su博士
人们对减轻纯锡表面处理中生长锡须的现象已经有了广泛的研究。

这些研究数据说明，形成锡须的主要原因是表面的应力增大，它受到由各种因素的影响。

举个例子，电镀过程会因为颗粒大小、厚薄和污染物水平不同而影响镀锡表面的应力状态。

像温度和湿度这样的应用条件，也会诱导微观结构发生某种改变，从而影响锡须的生长速度。

本文讨论在电子设备工程联合委员会（JEDEC）推荐的三个测试条件下进行的测试。

在一定程度上，这些测试代表一些常见的实地应用条件。

在测试结果的基础上研制减轻锡须生长的技术，可以有效地用于现实环境。

加速测试
JEDEC推荐的测试条件摘要列于表1。

对于空气对空气温度循环（AATC）测试，允许的温度范围是-40℃到85℃；但本文中所有研究使用的温度范围是-55℃到85℃。

在热循环测试中，导致锡须生长的原因，是三个测试中最简单的。

因为锡和引脚结构材料之间的热膨胀系数（CTE）不同，温度变化会在锡表面产生热应力。

由于使用的温度范围较宽，在一个很短的时间内，在表面中会产生很高的热应力，因而忽视由于速度较慢的机制而产生的应力。

在确定热应力大小时，锡颗粒的结晶方向是另一个重要因素。

锡晶格是各向异性的，这意味着，在不同的结晶面，或者沿着不同结晶方向，机械特性（如杨氏模量和热膨胀系数）有可能会发生变化。

对于镀锡表面，因为它通常由一层晶粒组成，我们需要关注只是水平方向元件的膨胀系数（CTE）和膨胀量（E）。

图1是这个模型的简化一维视图。

图1说明晶粒方向影响的一维视图。

当晶粒1和晶粒2的膨胀量和膨胀系数数值不同时，两种晶粒之间的应力就可能不同，即使它们的热应变相同也是如此。

这种差别在晶粒表面产生了应力集中点，在这里，锡须成核的可能性就会比较高。

化学物质和电镀工艺参数的选择，对于决定锡处理的微观结构也很重要。

即使对于同样的电镀化学物质，控制某些工艺参数，也会导致不同的锡表面和晶粒方向。

图2a和b是用两组不同的电镀参数，经过了1，000次AATC循环之后的镀锡表面。

有一种工具能够提供颗粒方向信息，这就是X射线衍射仪（XRD）。

过程的变化能够在XRD光谱上显示为方向或者峰值亮度的差别。

在AATC测试期间，在与锡须生长的方向相关的数据方面，我们已经取得了初步的成功，这说明，可以把XRD用作一个有效的开发工具，来寻找最佳的工艺窗口以及研究工艺变化的效果。

低温、低湿度储存
对于低湿度，恒温储存测试，锡须生长的成因更加复杂。

因为测试的持续时间长，许多机制都会促成晶核形成和产生锡须生长。

镀后再结晶、表面氧化物、晶粒方向和金属间化合物（IMC）的生长，都会影响锡须生长的速度。

在这些因素中，锡铜界面上的IMC生长是锡铜材料组合产生应力的最主要来源。

在室内温度下，锡铜的I
IMC生长速度快，而且，在晶粒表面的生长速度更快。

IMC晶粒挤压到锡表面中增大了应力，加速了晶粒表面上晶核的形成和锡须的生长。

目前，减轻IMC无规律生长的最常见的技术，是烘烤工艺（在150℃温度下烘烤1小时），而且要在电镀后立即进行。

在这样的高温下，铜的导热性提高了，而烘烤过程也使IMC层也变得更加均匀。

改进IMC结构的好处在于，IMC晶粒挤压锡表面的问题会减少，这就降低了应力，因此减少锡须的生长。

高温、高湿度存储
锡的熔点较低，为232℃。

在测试温度为55℃时，如果湿度低，通常看不到有锡须生长，因为在这个温度下，应力可以通过相对较快的自扩散过程释放出去。

然而，如果湿度高，锡须就生长得很快。

在测试过程中，仔细检查一下引脚可以看到，通常是锡表面先出现腐蚀现象；然后，在腐蚀了的地方出现晶核，生长锡须。

此外，锡表面的腐蚀通常是从铜衬底暴露的地方开始，例如，引脚的根部和有伤痕部位（图3）。

这表明，腐蚀很可能是因为锡和铜之间电流电压不同而导致的。

锡比铜更容易受到阳极化侵蚀。

锡铜形成原电池，因而在存在湿气时，锡的腐蚀率会明显加快。

图2a用非最优工艺处理的镀
锡表面的锡须生长。

腐蚀作用完全是在局部地方。

在一项研究中，我们检查了10,000个引脚，测试时间超过4,000小时。

所有观测到的锡须全部是在腐蚀了的部位，而未腐蚀的其他表面没有锡须。

为什么腐蚀会加速锡须的成核和生长过程，目前还不明了。

但无论如何，这已经表明，可以通过电路板装配工艺降低腐蚀。

上面所提到的那些类似的元件，是用锡铅或者锡银铜焊膏安装到电路板上的，而且测试条件也相同。

经过4,000小时测试后，只有很少的引脚有腐蚀和锡须生长的迹象。

要想了解安装在电路板上的元件和散装元件之间锡须生长的区别，必须测量再流焊接后锡铅和锡银铜焊膏的原电池势能，并和纯锡焊膏作比较。

结果显示，两种焊膏都比纯锡焊膏更容易受到阳极化侵蚀，这说明，用这些焊膏中的任何一种来装配元件时，它们有利于降低锡的腐蚀速度。

考虑到腐蚀效果，对于腐蚀涉及厉害关系的应用条件而言，系统制造商必须采取其他措施。

例如，在可以控制或者消除表面腐蚀以及因腐蚀而导致锡须生长的情况下，也可以使用抗腐蚀涂层。

图2b以优化电镀工艺处理的镀
锡表面的锡须生长。

结论
从几个公布的评估中得出的测试和分析结果认为，荷载应力是镀锡处理中锡须生长最可能原因。

由于锡须成核和生长的过程复杂，必须使用系统的方法来减少或者消除锡须的生长。

根据目前对锡须生长机制的理解，减轻锡须生长的有效方法是，管理良好的电镀过程、镀后的烘烤工序，再加上元件和系统制造商的共同努力，就能够降低镀锡表面的腐蚀速度。

作者简介
Sheila Chopin是Freescale半导体公司和技术方案部材料技术集成经理，电子邮箱：sheila.chop-
in@。

Peng Su博士是Freescale半导体和和技术方案部高级封装技术专家, 电子邮箱：peng.su@。