锡须的成长机制

錫含量的鍍層，但錫鬚問題隨之產生，如圖一所示。其
實在早年選用錫鉛的原因之ㄧ就是要避免錫鬚的困擾，
但因應無鉛化的環保需求，工程師被要求回頭面對錫鬚
的問題。因此隨著無鉛製程發展，陸續出現錫鬚短路問
題 ， 許 多 機 構 ( 日 J E I TA 、 美 N E M I 、 英 S O L D E RT E C ) 又 重新投入錫鬚成長理論的研究【】，探討如何防治錫鬚的 產生，同時也有一系列的研究工作是有關於錫鬚的加速 測試規範的訂定與更新。
差排源可產生差排環，並利用差排環的爬昇擴展，每擴展一次差排環就會在錫鬚的
表面留下額外的半平面原子，使錫鬚由底部持續成長，錫鬚成長速度為擴散機制所
控制。Eshelby等人並提出錫鬚表面氧化將產生一個負的表面張力，為差排移動的驅
動力，因此在真空狀態下不會有錫鬚的產生，由差排與表面張力推導的錫鬚成長速
度公式為：
中 包 括 差 排 、 再 結 晶 、 擴 散 、 氧 化 以 及 缺 陷 等 理 論 【2】， 但 直 到 目 前 ， 對 於 錫 鬚 的
成長機制還是存在著許多爭議與討論，尚無一致的認同，但大部分研究指出錫鬚形
成是為了釋放內部錫層中的壓應力，並指出錫鬚的形成是屬於自發性反應。典型的
錫鬚是一種如頭髮ㄧ樣的細長單晶，通常在許多不同基材的電鍍錫膜上所發現，錫
差 排 理 論 的 初 步 概 念 由 P e a c h 【】首 先 提 出 ， 之 後 由 E s h e l b y 等 人 【】、 A m e l i n c k x 等 人【】及L i n d b o rg等人【】提出修正理論，近期的研究則以L e e【10】的研究為主。而再 結 晶 理 論 最 早 由 E l l i s 【11】所 提 出 ， 後 續 F u r u t a 等 人 【】及 F u j i w a r a 等 人 【12】的 研 究 證 實
電路板會刊第三十九期
了 E l l i s 所 提 出 再 結 晶 理 論 中 的 許 多 概 念 ， 近 期 的 研 究 則 以 G a l y o n 等 人 【13】的 研 究 為
主，如圖二所示。
除了早期的差排與再結晶兩大理論以外，近
幾年來的研究主要是由X u等人【1】及Tu等人【1-1】
觀察到錫鬚自發性的反應，而在沒有銅層存在的錫薄膜上未發現錫鬚的成長，因此
推 測 C u S n 界 面 介 金 屬 的 生 成 ， 密 度 改 變 導 致 壓 應 力 產 生 ， 為 錫 鬚 成 長 的 驅 動 力 。 但當處於100℃下時，因為C uS n界面介金屬劇烈反應，產生較大的壓應力，導致 hillock型態的錫鬚產生，取代錫鬚形成以釋放壓應力。
F u j i w a r a 等 人 【12】在 黃 銅 與 鍍 鋅 之 銅 板 上 電 鍍 錫 層 並 使 用 A u g e r 與 E P M A 進 行 分
析，結果顯示Cu原子會出現在錫鬚與電鍍層的內部，因此推測Cu原子擴散到錫鍍層
內部形成CuSn介金屬，產生內應力驅動錫鬚成長。 Tu等人【1】的研究指出因為錫鬚是自發反應，當銅錫原子在室溫下產生相互擴
(二) 再結晶理論 E l l i s等人【11】針對已被報導過的錫鬚成長方向與角度的數據，認為差排理論是
不能完全合理解釋錫鬚成長的行為，因此推測出另一個錫鬚成長機制：再結晶理 論，此理論認為底材因受力而差排堆積，導致再結晶，產生一個新的晶核在底材表 面，此晶核的尺寸必須約在1um左右，並且與底材之間存在一個不可移動的邊界， 才能使原子移入晶核內，空孔排出晶核外，使再結晶的新晶核可以經由晶粒成長延 伸成錫鬚，若不可移動的邊界不存在，晶界移動將會發生，無法導致錫鬚產生，而 Ellis認為此不可移動的邊界可能藉由許多方式達到，例如不純物存在邊界上，或是 底材表面有剛硬膜拉住此邊界等。
二、 錫鬚的成長機制
圖一 因引腳架(LeadFream)上形成之錫鬚造 成接點短路之SEM照片 [1]
錫鬚的成長過程可以分為：成核、成長、終止三個階段【】。在第二個階段關於
錫鬚的成長，迄今已有許多機制被提出，包括差排、再結晶、擴散、氧化以及缺陷
等理論，在早期的研究中，最受認同的大致可以歸納為：差排與再結晶兩大理論，
鬚直徑約為1-μm，而長度不等最長可達00 mm，在型態上，錫鬚可以是筆直或 扭曲彎折狀，甚至是弧形等各種形式，其成長速率約為 0.01-0.1Å/s，潛伏期可由數天到數年之久。
針對電子產品無鉛製程，在電路板上的引腳或銲墊
上的表面處理需要發展一套新的電鍍製程【3】，來取代原
本的錫鉛鍍層，一個最簡單的方法就是電鍍純錫或是高
G=
其中G為錫鬚成長速度，E為應變能，R為錫鬚直徑，b為錫的原子間距，D為 擴散係數，T為溫度。因此錫鬚成長速度與應變能、擴散係數成正比，與錫鬚直 徑、溫度成反比（但擴散係數又與溫度有關），與其所觀察到的錫鬚成長速率介於 0.-Å/s相當符合，但其所推導的錫鬚成長速率與試片厚度無關，較不同於一般電 鍍層中錫鬚成長速率與試片厚度有關的現象。
但較不同的是第3項所產生的應力為壓應力，而第項所產生的應力則是在升到高溫
時承受壓應力，降到低溫時承受張應力，故其受力情形為交替循環的張應力、壓應
力 【1】。
1.界面擴散與反應引起之應力
Tu等人【1】使用銅/錫薄膜進行研究界面介金屬與錫鬚的研究，指出C uS n界面 介金屬成長厚度與反應時間呈現線性關係，高於0℃可發現C u3S n介金屬生成厚度 與反應時間呈拋物線關係，其中銅原子為反應時的主要擴散物質。在銅/錫薄膜上可
一般來說，應力的來源可以分為五種：1.材料內部因製程所產生的殘留應力，
電路板會刊第三十九期
2.外加的機械力，3.化學形式產生的應力，如界面擴散與界面反應引起的應力，.錫
層與基材熱膨脹係數不匹配所引起的應力，.電遷移導致原子擴散所產生的壓應
力。其中材料內部因製程所產生的殘留應力，如電鍍時鍍層內部殘留的應力，此種
(三) 壓應力理論 在錫鬚的研究中藉由許多可影響錫鬚成長的因素，推斷出壓應力是錫鬚成長的
驅動力，大部分的錫鬚成長機制都ㄧ致相信錫鬚成長需要壓應力的存在，如Lee等 人的差排理論【10】量測殘留壓應力，做為錫鬚成長的驅動力，而Ellis等人的再結 晶理論【11】認為錫鬚晶粒成長的驅動力來自儲存在晶體內的應變能或是外來的應 力，藉由錫鬚的成長便可釋放應變能。
的 幫 助 ， 另 外 F u r u t a 等 人 【】則 使 用 鋁 錫 合 金 進 行 研 究 ， 而 T u 等 人 【1】則 使 用 銅 / 錫 薄
膜在矽晶圓上進行研究，其優點是錫鬚的成長較快，有利於錫鬚成長機制的探討。
(一) 差排理論
差排理論由P e a c h等人【】首先提出以說明錫鬚理論的成長機制，假設位在錫鬚
散並反應形成C uS n介金屬，會產生壓應力作為驅動 力，導致錫鬚成長，如圖四所示，經前後密度改變的
計算，發現密度改變可導致壓應力產生。Tu進一步利
應力與電鍍條件有很大的關係，電鍍條件包括添加劑、電解液、電流密度以及電鍍
溫度等條件。電鍍層的殘留應力多使用機械彎曲法所量測，但是此種殘留應力通常
都在電鍍完後就會釋放，較不能提供持續的應力來源。而機械外力作用或外加壓力
所產生的應力與製程所產生的殘留應力一樣，在受到機械外力後，應力經過一段時
間會被釋放，無法提供持續的應力來源，除非是實驗條件下持續施加外力或壓力才
錫鬚的成長機制
中山科學研究院電子系統所 蔡碧娥 王碩顯
德霖技術學院機械系 王宣勝
台灣大學材料科學與工程學系顏秀芳 紀志堅 莊東漢
一、 前言
鬚晶(whisker)以材料種類做區分，可以分為陶瓷與金屬兩種，而金屬鬚 晶(metallic whisker)主要被發現在鎘、鋅、錫等金屬電鍍層上，關於錫鬚(tin whisker)的研究從11年開始，由貝爾實驗室(Bell Laboratory)的Compton提出 後 【1】， 就 引 起 廣 大 的 研 究 興 趣 。 早 期 大 部 分 研 究 雖 然 集 中 在 錫 鬚 的 成 長 機 制 ， 其
有 可 能 ， 如 早 期 F i s h e r 等 人 【1】最 早 提 出 壓 應 力 梯 度 是 錫 鬚 成 長 的 驅 動 力 ， 其 研 究 是
在電鍍錫層上施加外來壓力，結果證實壓力對於錫鬚的成長有所影響。因此在這五
種形成應力來源中，考慮在自然情形下可以持續提供壓應力的來源為第3、、項，
中心的螺旋差排為錫原子的移動通道，錫原子此與後續許多利用電子顯微鏡觀察錫鬚型態的研究結果不符，這些研究指出
錫鬚是由底部位置長出而非由頂端生長【2】。
E s h e l b y 等 人 【】提 出 的 差 排 機 制 假 設 有 一 F r a n k - R e a d 差 排 源 位 於 錫 鬚 底 部 ， 此
A m e l i n c k x 等 人 【】利 用 螺 旋 差 排 機 制 解 釋 錫 鬚 的 形 成 與 成 長 ， 其 螺 旋 陵 狀 差 排 環會爬昇到表面，每完成一次就會在錫鬚上增加一個Burger向量的厚度。
L e e 等 人 【10】在 銅 基 材 上 電 鍍 錫 層 ， 使 用 T E M 分 析 錫 鬚 的 成 長 方 向 為 〈 1 0 0 〉 ， 並 統 計 在 0 . 與 3 . A / d m 2的 電 鍍 電 流 密 度 下 ， 所 有 錫 鬚 長 出 後 與 基 材 之 間 的 夾 角 分 別 約為-2°與-°，如圖三所示；因此 由錫鬚的成長方向與容易長出的角度，可以
h=V/πR2~KβnD(b/13)(rb/rT)
其中h為錫鬚成長速度，V為發生質量傳送的材料體積，R為錫鬚半徑，r為表面 自由能，D為室溫下錫擴散係數，b為差排Buger向量，l為Frank-Read差排源長度， T為溫度，kβn值接近100~1000，因此錫鬚成長的速度與差排特性及原子擴散速率 有關。
提出的壓應力理論與氧化膜理論，近一步使用許
多特殊分析技術驗證其理論以推導錫鬚的成長機
制，另外在電遷移的研究中亦發現對錫鬚成長的
影響。關於錫鬚成長機制的研究，並不侷限於錫
鬚 或 電 鍍 錫 層 ， 如 L i n d b o r g 等 人 【】針 對 鋅 鬚 、 鎘 圖二 錫鬚成長機制。[] 鬚與錫鬚進行研究，對於錫鬚的成長機制有很大
F u r u t a與H a m u r a【】的研究是在0.3-0.m m厚的A l-0w t%S n合金薄板觀察錫 鬚的形成，結果顯示錫鬚與底材之間存在一個非整合界面，可以證實在底材表面再 結晶形成錫鬚的晶核，並由底材提供錫原子擴散到晶核中，導致鬚成長而釋放底材 內部壓應力，但當壓應力釋放不均勻時，力的不平衡就會發生，新成核的晶粒與底 材之間會發生晶界滑移，使新的晶核與底材之間呈現一個較穩定的對應晶格邊界， 這可以解釋為什麼彎折的錫鬚會有一特定角度的分佈，但表面剛硬膜將會阻礙晶界 滑移，因此Furuta等人認為剛硬膜必須存在，但不是整個邊界上都需要有剛硬膜存 在。另外亦提出了錫鬚的直徑是與表面張力成正比，當錫鬚的直徑大於一臨界尺寸 後，其自由能改變太大，不能穩定存在，因此利用表面自由能的觀念推導出錫鬚成 長速度公式如下：
計算出容易長出錫鬚的晶粒取向，以0.A/ dm2的電鍍電流密度為例，最容易長出錫鬚 的晶粒取向為(20)。在Lee的差排理論中， (20)為錫鬚成長的晶粒取向，以Bardeen- 圖三 銅鍍錫層上之錫鬚成長。[10]
電路板會刊第三十九期
Herring差排環解釋，錫鬚長出角度與彎折角度的產生機構，說明了為什麼會有筆直 與不連續彎折的錫鬚，但對於連續彎曲或螺旋的錫鬚型態未有明確的解釋。另外藉 由殘留壓應力的量測，去計算出各個晶粒取向的應變，再加上電鍍會有特定的晶粒 取向，得出容易長出錫鬚的晶粒取向為(20)，此結果與前述由錫鬚成長方向與錫鬚 長出的角度所計算出容易產生錫鬚的晶粒取向相當符合。