锡须生长试验报告 模板

锡须标准
锡须是一种从元器件和接头的锡镀层表面生长出来的细长形状的锡单晶，直径通常在0.3-10um之间，典型值为1-3um，长度在1-1000um之间，锡须有不同的形状，如针状、小丘状、柱状、花状、发散状等。

锡须的生成机理主要与热力学和电化学因素有关。

在热力学方面，锡须的形成是锡金属在一定温度下的自然生长过程。

在电化学方面，锡须的形成是锡金属在一定电位差下的电化学行为，当锡金属表面存在电位差时，会产生电化学腐蚀，从而形成锡须。

锡须的危害主要表现在电气短路、机械卡死、接触不良等方面。

如果这些导电的锡须长得太长，可能连到其他线路上，并导致电气短路；断裂后落在某些移动及光学器件之间可能产生弧光放电，烧坏电气元件等。

因此，针对锡须的生成和危害，可以采取以下预防措施：
1. 不要使用亮锡，最好使用雾锡。

2. 使用较厚的雾锡镀层（8-10um），以抑制应力的释放。

3. 电镀后24小时内退火（150℃/2hrs或180℃/lhrs），以减少锡层的应力。

4. 电镀后24小时内回流焊接，作用同退火。

5. 用N或Ag做阻挡层（1.3-2um），防止Cu扩散形成Cu6Sn5的IMC。

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：Sheila Chopin、Peng Su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。

作为Whiskers对策，敝社「三元合金镀金导体」的开发理念1.Whiskers所谓Whiskers,是电镀皮膜表面发生的胡须状的结晶产生物. 它的直径是2微米，长度约2～3毫米左右生长。

Whiskers发生的主要原因, 是电镀处理后，残留在电镀部品中的应力(以下，余留应力)，使金属的分子被挤出，形成胡须状.那么,产生余留应力的主要原因, 我们可举以下①镀金上的杂质，②镀金内的杂质，③素材金属，镀金界面的杂质，④结晶构造，⑤镀金内部的应力(压缩应力，引张应力)等。

用于FFC锡镀金导体上，仅仅用热处理的方法来除去上述的余留应力的起因要素是不够全面的。

由于Connector的外部压力导致Whiskers的产生，敝社作为抑制这个由于外压而产生的Whiskers的手法，进行「三元合金镀金」的开发. 在实际试验中，我们已确认到其成果.并向各位介绍.2.在FFC导体上,Whiskers发生的途径-1.内部应力铜素材上生长的不均匀的Cu6Sn5化合物,在室温下沿着Sn镀金的粒界生长，并来自粒界的压缩应力使Whiskers生长(上述的主要原因的③、④)。

-2.外部应力由于Connector的接点给FFC导体表面施加外部压力.不但不均匀的Cu6Sn5化合物,在Sn镀金粒界上发生的压缩应力更加使之促进，而且Sn镀金内部的应力也发生变化，导致Whiskers 发生更被加速(上述的主要原因的②、⑤)。

-3.镀金厚度另外、Whiskers是由于上述的2－1、2－2原因所发生, 而且它的长度与镀金的厚度也有相关性.3.「三元合金镀金导体」的其效果敝社开发的三元合金，是由2层以上的复合镀金层构成，上层是Zn镀金，下层是以Sn为主, Zn，Cu，Ag，Bi组成的.首先，在导体的制造流程中被导入的热处理工序中，均匀2-1的不均Cu化合物，抑制Whiskers 的发生，再用硬度高的Zn镀金层,压住它的发生。

同时，硬的Zn层具有Connector的接点上产生的外压,不易传达到铜素材和镀金层的效果.基础镀金层是,由于Sn为主的基础上,添加了Zn，Cu，Ag，Bi.使Sn镀金内部的应力得到缓和.结果，Whiskers的发生能得到表图-1的成果。

一、什么是锡须生长锡须生长是在锡的表面按照锡的结晶形式生长的锡的可以导电的须状物，这种锡须的生长尤其是电镀锡比较明显。

锡须一般可以长到几个毫米，但是个别的可以长到10毫米，直径可以是几个微米，10个微米的比较少见。

美国宇航局太空飞行中心的一个电磁继电器发生的一次短路现象二、产生的机理有各种说法，但是比较主要的是应力产生机制。

对影响锡须生长的因素主要有：温度、湿度、热循环、应力、电场等温度循环对锡须的生长有很大的促进作用。

生长的温度在50℃最快，在20～25℃也可以生长，但一般认为在150℃就会结束生长。

三、可能产生的影响可能引起稳定的短路、瞬态短路（锡须熔断）、电弧、产生多于物（主要发生在密闭的腔体内，例如继电器、混合集成电路等）、使元件脱落，使电子元件的电性能和机械性能下降。

四、降低锡须生长引起的风险的方法：1、浸焊这种方式是在纯锡的表层浸一层锡铅的焊料，可以减缓纯锡的锡须生长。

2、给镀层覆盖一层物质锡须还可能生长。

3、剥掉原来的纯锡层后重新电镀一层锡铅对我公司生产的产品如果一定要进行端头的锡铅化我想到的有如下的方法：1、采购端头只有银钯的产品后自己进行镍和锡铅的电镀困难是采购的周期要长，现在有厂家可以生产，但是产品的容量范围没有现在的宽。

2、将现有的产品进行浸焊，这种方法的风险比较大，而且很容易引进缺陷。

3、直接对现有产品进行电镀，这种方法的缺点是容易引起损耗、绝缘电阻的降低。

其中2、3这两种方法生产的产品尺寸不容易控制，容易做大。

说明：锡须的生长和纯锡的东西在低温下的粉碎是两个概念，纯锡在低温下的粉碎是因为其发生相变而引起的，是整块金属的变化；锡须的生长是单个晶粒由于条件的允许而引起的生长，是部分金属的变化。

以下是美国军用的失效案例1. Military Airplane:G. Davy,, Northrop Grumman Electronic Systems Technical Article, October2002军用飞机2. Patriot Missile:Suspected tin whisker related problems (Fall 2000)爱国者导弹3. Phoenix Air to Air Missile:L. Corbid, "Constraints on the Use of Tin Plate in Miniature ElectronicCircuits", Proceedings 3rd International SAMPE Electronics Conference, pp. 773-779, June 20-22, 1989.Phoenix 空空导弹4. F-15 Radar: B. Nordwall, "Air Force Links Radar Problems to Growth of Tin Whiskers", AviationWeek and Space Technology, June, 20, 1986, pp. 65-70F-15 雷达5. U.S. Missile Program:J. Richardson, and B. Lasley, "Tin Whisker Initiated Vacuum Metal Arcingin Spacecraft Electronics," Proceedings 1992 Government Microcircuit Applications Conference, Vol.XVIII, pp. 119 - 122, November 10 - 12, 1992.导弹的一个部位（不会翻译）因为锡须产生了电弧（发生在电路中）6. U.S. Missile Program:K Heutel and R. Vetter, "Problem Notification: Tin Whisker growth inelectronic assemblies", Feb. 19, 1988, memorandum锡铅合金端头的产品主要应用在MIL-PRF-55681和高可靠领域。