一文详解Sn晶须生长现象

2019-04-01 10:29

图4表示了各种基材上镀锡在热冲击时的晶须发生的密度，横轴表示在镀层上发生的压缩应力，纵轴表示晶须发生频度。由图4可知，热膨胀系数的偏移越大，越会增大晶须发生密度。铜引线元件的热膨胀系数接近于Sn，几乎不会发生晶须。

图4 各种基板上的镀层对晶须发生密度的应力和影响

选择上述元件虽然可以抑制温度循环或热冲击中生长的晶须，但是即使热膨胀差别大的组合也不会比其他的晶须显著生长。在使用合金型的陶瓷芯片元件镀层的寿命评价中，生长50μm长度的晶须估计需要100年。3）氧化和腐蚀晶须的发生和生长如上所述，在室温下生长的晶须不会受使用温度的影响而加速，少许湿度变化没有影响。如果环境中有明显的湿度变化，锡的氧化就会异常进行，形成不均质性的氧化膜，导致镀层发生应力。这种氧化和腐蚀产生的晶须，在晶须加速评价中往往与室温晶须评价混同。有专家经过大量试验研究后认为：晶须最易生长的条件是60℃/93%RH。此外，在多数情况下氧化/腐蚀晶须存在潜伏期。图5表示了SnZn类钎料在85℃/85%RH的条件下进行高温高湿试验以后的表面附近组织状态。表面附近的Zn集积在晶界上，变化成氧化锌（ZnO）。随着试验时间的推移，形成的ZnO从表面往深度增加时，还会受到第3元素存在的影响（如存在Bi或Pb，则会加速氧化）。在Zn氧化为ZnO的反应中体积膨胀达到57%，因而产生压缩应力而发生晶须。此外，含有容易氧化的In时也会发生晶须。

图5 SnZn合金在高湿环境下生成的晶须

4）外压力下晶须的发生和生长Sn晶须之所以成为无Pb制程中的大问题，是由于细节距连接器的问题。用镀覆了Sn或SnCu合金镀层的细节距连接器端子制造的挠性电缆，以及连接器的接触部分产生的Sn晶须造成的危害，曾在20世纪50年代成为大问题，同样在无铅化中也再次出现。图6表示镀覆SnCu合金层的触点侧/Au-FPC发生的晶须。由图中可知，触点尖端的Sn镀层上产生相当大的塑性变形，这种塑性变形是由于Sn的柔软性造成的，但是它可以赋予良好的电气接触。在接触的周围扩展了的被称为瘤状物质，锡晶须就是在这种瘤状物中发生的。