减轻镀锡表面的锡须生长

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1、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：SheilaChopin、PengSu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

2、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

3、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

4、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，

5、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

6、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

7、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