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一文详解Sn晶须生长现象

导读: 值得指出的是,在卫星等太空电子产品中也发生了数起由晶须问题引起的故障甚至严重事故。2000年以来,随着电子安装的无铅化,特别是细节距和挠性电缆的连接器再次成为大问题。在美国,开始于卫星或原子反应堆的故障,无铅化成为重要的晶须问题。

一、金属晶须

金属晶须的初始可追溯到60多年以前。1946年美国的Cobb开始研究镉晶须问题。当时收音机中的可变电阻器和电容的镀层使用镉镀层,随着时间的推移,由于晶须发生而短路。1945年前后,美国的电话线路系统曾发生故障,其原因是蓄电池内部短路。经检查,才知道是因为镀Sn电极板两面产生金属晶须所致。50多年前海林(Herrin)和盖尔特(Galt)通过试验发现金属晶须的强度高得令人吃惊(为一般金属的几千倍到几万倍)。金属晶须是超级导电体,耐高温性能非常好。由晶须产生的电子设备故障多数发生在20世纪50年代到60年代,在那个时期进行了关于机理和对策的研究。研究中发现,即使是铁或者陶瓷和硅也会发生晶须,这些晶须大多数作为有用成分而被合成,纳米管就是它的极端事例。这些高熔点物质的晶须成长机理与Sn或Cd的晶须成长机理不同,就端部而言,Sn晶须在根部端生长,而高熔点物质则在尖部端生长。晶须生长本质上属于一种自发的,不受电场、湿度和气压等条件限制的表面突起生长现象,而以含Sn镀层表面生长的Sn晶须最典型。晶须在静电或气流作用下可能变形弯曲,在电子设备运动中可能脱落造成短路或损坏。在低气压环境中,Sn晶须与邻近导体之间甚至可能发生电弧放电,造成严重破坏。例如,F15战斗机雷达、火箭发动机、爱国者导弹、核武器等各种电子产品中都曾发生过因晶须问题而导致的事故。值得指出的是,在卫星等太空电子产品中也发生了数起由晶须问题引起的故障甚至严重事故。2000年以来,随着电子安装的无铅化,特别是细节距和挠性电缆的连接器再次成为大问题。在美国,开始于卫星或原子反应堆的故障,无铅化成为重要的晶须问题,如图1所示。

图1 Sn镀层的引脚上长出的Sn晶须造成引脚间的短路

美国NASA最近发布了近年来由于PCB锡须而引起的问题报告,列举了一些失效的例子。1986年:美国空军F15喷气式战斗机的雷达设备出现故障,罪魁祸首就是锡须侵入了电路中,引起雷达间歇性的失效。如果由于机舱的振动使锡须移动了位置,则故障会突然消失,雷达又能正常工作。1987年至今:至少有7次核电厂关闭,而原因就是报警系统的电路中长出了锡须。锡须使报警系统误判有一些重要的系统不能正常工作,而实际上反应堆本身并没有任何问题。1989年:凤凰城美国海军的空对空导弹的目标监测系统中也发现了锡须现象。1998年至今:在轨道中运行的商业卫星至少因为锡须而发生了11次故障。问题出现在控制卫星位置的处理器中,包括其他的一些功能。有4颗卫星丢失,包括为北美几千万寻呼机提供服务的价值2.5亿美元的PanAmSat公司的银河4号通信卫星。2006年:在一次测试中,系统错误地指出航天飞机的引擎出现问题,导致轨道偏离。后来NASA工程师发现了上百万个锡须,有些达到了25mm。在确认纯锡的部件会引起问题之后,他们已经要求在锡的镀层中加入少许的铅。

二、Sn晶须生成的环境条件

Sn晶须生长的基本动力是在室温附近的Sn或者合金元素的异常迅速扩散。即使在室温下,Sn镀层中的原子也会自由运动,再加上“环境”或“驱动力”条件,更会促进元素的扩散,从镀层表面的一个“出口”成长为晶须。因此,Sn晶须发生的环境条件可以理解为以下5种:●室温下生长的晶须;●温度循环中生长的晶须;●氧化和腐蚀中生长的晶须;●外压下生长的晶须;●电迁移中生长的晶须。上述5种环境在镀层内部产生压缩应力,促进元素的扩散而发生晶须。而第5种环境出现在安装形态的功率半导体或倒装芯片等特殊情况下,一般安装基板中不会发生,故下面不进行讨论。1)室温Sn晶须的发生和生长研究发现,SnCu室温快速反应、压应力和Sn表面稳定的氧化层,是Sn晶须生长的充分必要条件。在室温下晶须的发生中,首先是在Sn镀层和铜界面上形成Cu6Sn5 化合物,该化合物在镀层内部产生压缩应力是发生晶须的主要元凶。图2表示了铜线路上镀Sn后和放置28天以后观察铜的表面所发现的Cu6Sn5结晶的分布状态。由图2可知,Cu6Sn5结晶在镀层与基板Cu的整个界面上沿着Sn镀层的粒界生长。

图2

2)温度循环(热冲击)晶须的发生和生长在使用与Sn镀层的热膨胀性差别大的“42”合金等电极或陶瓷元件时将存在问题。图3表示了陶瓷芯片元件的电极上发生的晶须。这种类型的晶须因为温度循环试验时产生应力高速变化的镀层变形,晶须也高速成长。

图3 在50~125℃、30min、100次循环后芯片Sn镀层上发生的晶须

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