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由于環(huán)保要求，全球開(kāi)始進(jìn)行產(chǎn)品無(wú)鉛話的制程，而無(wú)鉛化的實(shí)施對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品的品質(zhì)與可靠性產(chǎn)生重大影響，其中一個(gè)最重要的問(wèn)題就是錫須問(wèn)題。錫須的問(wèn)題在很早的時(shí)候就有提出，不過(guò)之前的元件電鍍Sn-Pb,并沒(méi)有錫須的問(wèn)題產(chǎn)生。但從元件電鍍Sn-Pd轉(zhuǎn)換成Sn、Sn-Bi或Sn-Cu后就衍生出錫須問(wèn)題。錫須在室溫下會(huì)發(fā)生生長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)的錫須會(huì)造成線路短路，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品功能的失效。如何有效的解決這個(gè)問(wèn)題呢？唯有愈了解錫須的成長(zhǎng)機(jī)制，才能提出改善對(duì)策。

錫須是什么？

錫須（Tin whisker），是電子產(chǎn)品及設(shè)備中一種常見(jiàn)的現(xiàn)象。要說(shuō)明錫須是什么，首先來(lái)看晶須是什么。 晶須是一種頭發(fā)狀的晶體，它能從固體表面自然的生長(zhǎng)出來(lái)，也稱為“固有晶須”。晶須在很多金屬上生長(zhǎng)，最常見(jiàn)的是在錫、鎘、鋅、銻、銦等金屬上生長(zhǎng)。甚至有時(shí)錫鉛合金上也會(huì)生長(zhǎng)晶須，但發(fā)生概率較小。晶須很少出現(xiàn)在鉛、鐵、銀、金、鎳等金屬上面。一般來(lái)說(shuō)，晶須現(xiàn)象容易出現(xiàn)在相當(dāng)軟和延展性好的材料上，特別是低熔點(diǎn)金屬。

錫的晶須簡(jiǎn)稱錫須，它是一種單晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電。錫須的形狀一般是直的、扭曲的、溝狀、交叉狀等，有時(shí)也有中空的，外表面呈現(xiàn)溝槽。錫須直徑可以達(dá)到10微米，長(zhǎng)度有時(shí)可以達(dá)到9毫米以上，其傳輸電流的能力可以達(dá)到10毫安，當(dāng)傳輸電流較大時(shí)，錫須一般會(huì)被燒掉。

錫須產(chǎn)生的原理：

錫須成長(zhǎng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一種應(yīng)力釋放的現(xiàn)象。就現(xiàn)在的研究結(jié)果來(lái)看，應(yīng)力的形式簡(jiǎn)單可以分為三種應(yīng)力類型：機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力；其中化學(xué)應(yīng)力是造成錫須自發(fā)性成長(zhǎng)的最重要原因。

1、機(jī)械應(yīng)力

機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生通常是外來(lái)的，尤其是壓縮性的機(jī)械應(yīng)力，更容易加速錫須的生長(zhǎng)。例如連接器與軟性印刷電路板FPC連接時(shí)，大部分都是以連接器夾持FPC 引腳的方式，此時(shí)軟性印刷電路板FPC上的金屬引腳即會(huì)收到來(lái)自連接器內(nèi)金屬端子的夾持壓力。很容易發(fā)現(xiàn)軟性印刷電路板上金屬pin受壓力的邊緣處發(fā)現(xiàn)錫須的現(xiàn)象。

2、熱應(yīng)力

熱應(yīng)力指產(chǎn)品遭受高、低溫度變化時(shí)，相結(jié)合之兩材料因膨脹系數(shù)的不同所產(chǎn)生的壓縮或拉張力。Sn的膨脹系數(shù)比Cu高，因此于制程中經(jīng)常由回流焊后回到室溫時(shí)，Sn鍍層實(shí)際是承受到Cu底材牽制產(chǎn)生之拉張力，但仍可發(fā)現(xiàn)錫須之發(fā)生。其原因可能是化學(xué)應(yīng)力之自發(fā)性錫須成長(zhǎng)應(yīng)力遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力，及鍍層中任何不均勻性造成之局部性壓縮應(yīng)力。

3、化學(xué)應(yīng)力

以現(xiàn)今最常見(jiàn)的Cu底材金屬腳為例，化學(xué)應(yīng)力的主要來(lái)源，就是Sn和Cu產(chǎn)生介面金屬合金IMC的反應(yīng)。一般情況，于室溫下Cu原子便會(huì)自然地?cái)U(kuò)散進(jìn)入Sn產(chǎn)生Cu6Sn5介面金屬合金IMC，此介于Sn和Cu之間Cu6Sn5介面金屬合金IMC將形成一股推力，由底部把Sn和Cu產(chǎn)生介金屬的反應(yīng)于室溫就可以進(jìn)行，所以此產(chǎn)生介金屬的反應(yīng)將不斷地發(fā)生，也就不斷地提供化學(xué)應(yīng)力，迫使Sn層收到推擠的應(yīng)力。此時(shí)，若Sn表面有氧化層時(shí)，便可以阻擋Sn向外延伸的空間，但一旦氧化層有出現(xiàn)裂紋時(shí)，Sn便會(huì)從縫隙中被推擠而出形成錫須。

錫須產(chǎn)生的原因

錫須生長(zhǎng)的速率一般在0.03——0.9mm/年，在一定條件下，生長(zhǎng)速率可能增加100倍或者100倍以上。生長(zhǎng)速率由鍍層的電鍍化學(xué)過(guò)程、鍍層厚度、基體材料、晶粒結(jié)構(gòu)以及存儲(chǔ)環(huán)境條件等復(fù)雜因素決定。錫須的生長(zhǎng)主要是有電鍍層上開(kāi)始的，具有較長(zhǎng)的潛伏期，從幾天到幾個(gè)月甚至幾年，一般很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)錫須所帶來(lái)的危害。

一般來(lái)說(shuō)，錫須有如下的產(chǎn)生原因：

1、錫與銅之間相互擴(kuò)散，形成金屬互化物，致使錫層內(nèi)壓應(yīng)力的迅速增長(zhǎng)，導(dǎo)致錫原子沿著晶體邊界進(jìn)行擴(kuò)散，形成錫須；

2、電鍍后鍍層的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致錫須的生長(zhǎng)。

3、錫須的解決方案

錫須觀察的試驗(yàn)方法和比較：

常見(jiàn)的錫須試驗(yàn)方法是通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行加速模擬，目前做得最多的方法是以下幾種：

1，高溫高濕時(shí)錫須生長(zhǎng)曲線 

2，冷熱沖擊時(shí)錫須生長(zhǎng)曲線 

3，室溫時(shí)錫須生長(zhǎng)曲線 

4，施加縱向壓力時(shí)錫須生長(zhǎng)曲線

從下圖曲線可以看出，高溫高濕是最理想的試驗(yàn)項(xiàng)目，其次是冷熱沖擊模擬測(cè)試。

錫須建議解決方法：

1、鍍層工藝的改進(jìn)，在Cu上鍍鎳，鎳上鍍鈀，鈀上鍍金，主要在形成Cu擴(kuò)散的障礙層，避免Cu直接和Sn經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成Cu5Sn6介面金屬合金IMC，產(chǎn)生應(yīng)力。

2、鍍較厚的Sn層，厚度約8-12um，如此于表面的Sn面收到下方因Sn、Cu翻譯傳送而來(lái)的應(yīng)力相對(duì)會(huì)變小。應(yīng)力一邊小，相對(duì)的Sn表面就比較不容易長(zhǎng)錫須。

3、于電鍍前后進(jìn)行退火熱處理，一般退火處理?xiàng)l件可以是150度/1~2小時(shí)，退火之目的及效果有消除加工應(yīng)力，IMC厚度變均勻，防止再結(jié)晶或晶粒長(zhǎng)大。

4、鍍霧面錫，霧面錫表面有較大之晶粒(~5um)(亮錫晶粒~0.2um)，又錫須一般直徑與表面晶粒相近，故雖然鍍霧面錫可能無(wú)法阻止錫須成長(zhǎng)，但錫須不會(huì)很長(zhǎng)，比較不容易造成產(chǎn)品的短路失效。