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锡须现象与分析 发布时间:2016-03-15

由于环保要求,全球开始进行产品无铅话的制程,而无铅化的实施对现有的产品的品质与可靠性产生重大影响,其中一个最重要的问题就是锡须问题。锡须的问题在很早的时候就有提出,不过之前的元件电镀Sn-Pb,并没有锡须的问题产生。但从元件电镀Sn-Pd转换成Sn、Sn-Bi或Sn-Cu后就衍生出锡须问题。锡须在室温下会发生生长,过长的锡须会造成线路短路,会导致产品功能的失效。如何有效的解决这个问题呢?唯有愈了解锡须的成长机制,才能提出改善对策。


 


锡须产生的原理:

锡须成长简单来说就是一种应力释放的现象。就现在的研究结果来看,应力的形式简单可以分为三种应力类型:机械应力、热应力、化学应力;其中化学应力是造成锡须自发性成长的最重要原因。


1、机械应力

机械应力的产生通常是外来的,尤其是压缩性的机械应力,更容易加速锡须的生长。例如连接器与软性印刷电路板FPC连接时,大部分都是以连接器夹持FPC 引脚的方式,此时软性印刷电路板FPC上的金属引脚即会收到来自连接器内金属端子的夹持压力。很容易发现软性印刷电路板上金属pin受压力的边缘处发现锡须的现象。


2、热应力

热应力指产品遭受高、低温度变化时,相结合之两材料因膨胀系数的不同所产生的压缩或拉张力。Sn的膨胀系数比Cu高,因此于制程中经常由回流焊后回到室温时,Sn镀层实际是承受到Cu底材牵制产生之拉张力,但仍可发现锡须之发生。其原因可能是化学应力之自发性锡须成长应力远大于热应力,及镀层中任何不均匀性造成之局部性压缩应力。


3、化学应力

以现今最常见的Cu底材金属脚为例,化学应力的主要来源,就是Sn和Cu产生介面金属合金IMC的反应。一般情况,于室温下Cu原子便会自然地扩散进入Sn产生Cu6Sn5介面金属合金IMC,此介于Sn和Cu之间Cu6Sn5介面金属合金IMC将形成一股推力,由底部把Sn和Cu产生介金属的反应于室温就可以进行,所以此产生介金属的反应将不断地发生,也就不断地提供化学应力,迫使Sn层收到推挤的应力。此时,若Sn表面有氧化层时,便可以阻挡Sn向外延伸的空间,但一旦氧化层有出现裂纹时,Sn便会从缝隙中被推挤而出形成锡须。    



锡须观察的试验方法和比较:

常见的锡须试验方法是通过环境试验进行加速模拟,目前做得最多的方法是以下几种: 

1,高温高湿时锡须生长曲线 

2,冷热冲击时锡须生长曲线 

3,室温时锡须生长曲线 

4,施加纵向压力时锡须生长曲线

从下图曲线可以看出,高温高湿是最理想的试验项目,其次是冷热冲击模拟测试。  

  


锡须建议解决方法:

1、镀层工艺的改进,在Cu上镀镍,镍上镀钯,钯上镀金,主要在形成Cu扩散的障碍层,避免Cu直接和Sn经化学反应生成Cu5Sn6介面金属合金IMC,产生应力。


2、镀较厚的Sn层,厚度约8-12um,如此于表面的Sn面收到下方因Sn、Cu翻译传送而来的应力相对会变小。应力一边小,相对的Sn表面就比较不容易长锡须。


3、于电镀前后进行退火热处理,一般退火处理条件可以是150度/1~2小时,退火之目的及效果有消除加工应力,IMC厚度变均匀,防止再结晶或晶粒长大。


4、镀雾面锡,雾面锡表面有较大之晶粒(~5um)(亮锡晶粒~0.2um),又锡须一般直径与表面晶粒相近,故虽然镀雾面锡可能无法阻止锡须成长,但锡须不会很长,比较不容易造成产品的短路失效。    






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