无铅电子元器件的锡须风险评估与对策分析

Ｉ 沉积设 训
内应 力 衬 底 材料 摹 底
能造成桥接短路。 ｄ ）真空金属蒸汽电弧
．
口
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ｌ
～ 二Βιβλιοθήκη 在真空 （ 或低气压）条件下 ，当锡须 传送较大的电流 （ 几个安培） 或 电压 （ 大于 ｌ ）时 ，锡 ２Ｖ 须将蒸发成离子而产生 电弧
图 ２锡 须 生 长 机 理
放 电 ，传送 电流可 高达 ２０ ０ Ａ 。电弧依靠 镀层 表面 的锡
来维持 ，直到消耗完毕或停
９
１ ０ １ １
Ｓ— ｎ ｎＭ
ｓ— ｂ ｘ ｎｓ— Ｓ— Ｃ ｎＡ ｕ
仅１ 个研究报告
有严重的 晶须倾 向
少量 观测数据 薄膜 电容与高温焊料的应 用 极 少数 据 一个未公开 的现场应用记 录 严重的晶须倾 向
该机制认为扩散运动产生 的位错是 晶须 生长的源头。晶须邻近区域的表面的氧化过 程而产生反 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 出这样 的结
镀 层 的 电镀 化 学工 艺 、镀 层 特性 、 基 片特 性 、外 部 应 力 、组 装 工 艺
以及存储环境 条件 （ 见图 ３ 。其 ）
图 １ ｎ Ｘ合 金 晶须 的 Ｓ Ｍ 图 Ｓ — Ｅ
中 ．电镀 条件 、镀层厚度 、基体 材料 、晶粒结构以及存储环境条件尤为敏感 ，对锡
出现 大 量 晶须
该机制认为锡原子趋向于从高应力区运
动 向低 应 力 区 ．从 而形 成 晶须 生 长 的压 应力
梯度 。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 。例 如 ：Ｃ ６ｎ 金 ｕ Ｓ
属间化合物 （ Ｃ Ｉ ）的形成 ，是 Ｃ ／ 镀层结 Ｍ ｕｎ Ｓ
论 ：晶须 轴 与位 错 的 柏 氏矢量 平 行 。有学 者 则 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
１ Ｓ — Ｃ — ｅ仅 ２ ２ ｎ Ａ ｕＣ 个研究报告
注 ：Ａ ＝ Ａ ＝ Ａ ＝ Ｂ＝ Ｃ ＝ Ｃ ＝ Ｌ ＝ Ｍｎ 锰 Ｓ ＝ ｇ 银 Ｉ铝 ｕ 金 ｉ铋 ｅ 铈 ｕ 铜 ｕ 镨 ＝ ｂ 锑 Ｓ ＝ ｘ 任一元素 ｎ锡 ＝
１
１ 部应 外 压
ｌ 弯 力 曲
现象较为常见。 ｂ ）短暂性短路 当锡须直径较小时 ，通过 的短路 电 流 超过 其所 能承受 的 电流 （ 般为 ３ 一 ０ ｍ ） Ａ ，锡须将 被熔断 ，形成 间断 的短路 脉冲 。 这种情况一般较难被发现。
ｃ ）残 屑污 染
＇
构 中晶须生长 的内部压应力。当表面锡氧化 物存 在缺 陷或裂 隙时 ，在 内部应力 的作 用 下 ，锡被挤压 出而形成锡须。
ｃ ）位 错运 动机制
６ ７ ８
Ｓ— ｉ ｎ Ｂ ｓ— ｕ ｎＣ Ｓ— ｕ ｎ Ｌ
数据极少 若 干数据 仅 １ 个研究报告
出现极少晶须 有晶须增长趋势 有严重的晶须倾 向
ｂ ）氧化层 破裂 机制
编号
１ ２ ３ ４
５
合金系
Ｓ ｎ Ｓ— ｂ ｎＰ Ｓ一 ｎ鲰 Ｓ— ｕ ｎＡ
Ｓ— Ｉ ｎ Ａ
数据支撑力度
大量数据 大量数据 数据极少 数据很少
一个 研 究 报 告
案例现象描述
严 重的晶须倾 向 晶须倾 向大大减小 高温使用可能会恶化 出现少数晶须
如表 １ 图 １ 示。 和 所
表 １ ｎ ｘ合 金 的 晶 须 案 例 Ｓ —
粒上生长出来 的。Ｇａｕ ｏａ Ｋ ｄｙｖ ｅ Ｉ用镀 ｌ ｎｖ 和 ｕｒ ｔ ｖ【 ｚ ａｓ 】 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有重要的影响作用。Ｋ ｋｓｉ ａｅ ｔ ｈａ 【 等发现细晶粒 Ｓ 镀层 中的位错环数量比粗晶粒 ｎ ｓ 镀层中多 ，并据此推测晶须是在再结晶晶 ｎ 粒上长出来的。
电子 产 品 可 靠性 与环 境 试 验
２ １ 芷 ０１
点金属 。
ａ ）重结晶机制
该 机制认 为 晶须 的形 成 和生长 是从 重结 晶的 晶
锡须是一种单 晶体结 构的导 电体 。形成于金
属镀层 的表面 ，其形貌和尺寸随锡合金组分 的不 同而不 同 ，一般有直线型 、扭 曲型 、沟状型和交 叉状型等 。不 同锡合金 的晶须现象及其典型 图例
．
』
当 使 Ｊ 叫 Ｈ ｊ 、 ｌ７ １ Ｉ ｒ 热变 化
ｌ 材膨 料胀
湿 度
｜ 热
产 应 —＿ 氧 Ｉ 十力 ＿ 化 ・ ｛
—
ｌ器 设 件 计
Ｃ ｎ 扩 散 ｕ３ Ｚ
当器件受到机械 冲击或震动时 ，可 能造成锡须从镀层表面脱落 ，形成残屑。
国内外学者通过 大量 的实验研究 ，提 出了如 下几种锡须生长机制 ：
１ ２
须的生长速率具有决定作用 。
ＤＩ ＡＮＺＩ ＣＨＡＮＰＩ ＫＥＫ Ｎ ＡＯＸＩ ＮＧ ＹＵ ＨＵＡＮＪ ＮＧ ＳＨＩ ＡＮ Ｉ Ｙ
第 ４期
聂国健等 ：无铅 电子元器件 的锡须风 险评估与对策分析
Ｉ锡 须 ． 品 Ｉ
位错环都使表 面增 加一个柏 氏矢
量 的厚度 。 基 于上 述 机 制 ．内 部 应 力 是 锡 须形 成和 生长 的主要 驱 动力 ， 其 机理 如 图 ２所示 。 因此 ．电 子 元 器 件 金 属 镀 层
表面锡须 的形 成原 因与其制备 工 艺和使用过程 密不可分 。任 意缺 陷 的引入或 局部 内应 力 的形成 ， 都可能成为锡须生长的潜在诱 因。 与锡须生长有关的潜在因素包括 ：
一
—
＿ Ｌ Ａ １ ，３ １ ＵＺ ５
—
＼ ／／ ７
—
／
ｌ化 Ｉ 氧膜
。
一
／ｌ ｆ
＼
旦 这 些 残 屑 导 电物 质 颗 粒 自由 运 动 ．
将会 干 扰 敏感 的光 信 号 或微 机 电 系统
（ ＭＳ ＭＥ ）的 正 常 运 行 。 此 外 ，残 屑 也 可