锡须介绍与观察

背景
锡须是在纯锡或锡合金镀层表面自发生长出来的一种细长形状的锡的结晶。在电子线路中，锡须会引起短路，降低电子器件的可靠性，甚至引发电子器件故障或失效.。
1959年Arnold曾发现向锡中添加一定量的铅(即Sn-Pb合金镀层)可以减小锡须的生长倾向，但是铅是一种有毒的重金属，主要损伤人类的神经系统，且电子产品中焊料用铅在技术上难以回收。出于环保、人类自身健康的考虑，我国以及日本、欧盟、美国等国家或地区相继出台相关法规或法令明文限制或禁止在电子电气设备中使用铅，使电子产品无铅化。电子行业无铅化的趋势，意味着电子工业中最广泛应用的Sn-Pb焊料将成为历史，同时广泛应用的Sn-Pb镀层也将被新的金属或合金所取代，作为可能的替代者，纯Sn， Sn-Bi， Sn-Cu，Sn-Ag都被研究过，它们均有潜在的锡须自发生长问题。

1．锡须现象及其危害

1951年，Compton、Mendizza和Arnold发现锡须会导致电路短路，并导致电容器失效，这一问题引发人们对锡须进行了长期深入而广泛的研究。但是至今，锡须现象还存在大量未解之谜。
锡须的危害在于其可能连接到其它线路上，并导致电气短路，断裂后落在某些移动及光学器件中引起这些器件的机械损害，处于相邻导体之间可能产生弧光放电，烧坏电气组件等。由于锡须通常在电镀之后几年甚至几十年才开始生长，因而会对产品的可靠性造成潜在的危害比较大。

锡须导致的失效形式主要有四种:
（1）在低电压下，由于电流比较小，锡须可以在临近的不同电势表面产生稳定持久的短路;

（2）在高电压下，由于电流足够高而超过锡须的熔断电流时(通常为50mA)，可以熔断锡须从而导致瞬时短路;

（3）由锡须短路导致金属蒸发放电，在航天器真空环境中，可诱发一个稳定的等离子电弧，并导致电子设备的迅速毁坏

（4）在震动环境中，锡须会脱落，它不但会引发上述的电路短路，也可造成精密机械的故障或破坏

锡须可以呈现各式各样的形态，如直线型、弯曲、扭结、环形等;其截面也形状各异，有星形、带形、不规则多边形以及花形等;锡须表面一般有纵向的条纹或者凹槽，也有的锡须表面比较光滑。其长度从几μm、几十μm、到几百μm不等，甚至达到数毫米。锡须多从锡镀层表面上萌生并生长，文献中报导的多数研究工作也多集中于此，近年来也有一些报导在大块锡基合金表面发现有锡须生长。
下图为一组扫描电镜图片，显示锡须的典型形貌。

2. 影响锡须生长的因素
影响锡须生长的因素很多，主要包括应力、金属间化合物、镀层晶粒大小与取向、基体材料、镀层厚度、温度及环境、电镀工艺、合金元素、辐射等。
锡须的生长主要发生在室温附近。升高温度可以加快锡原子的扩散速度，有利于锡晶须生长。但是温度较高的时候(如超过100℃后)，应力(锡须生长的驱动力)被松弛，它又不利于锡须生长。
据报导，锡须在115℃时生长变慢，到150℃以上就停止生长。一般认为50～60℃是最适宜锡须生长的温度。
湿度对锡须生长也有影响。相对湿度越高，锡须生长越快，特别当相对湿度达到85%以上时。目前湿度已经作为加速锡须生长手段的一部分，但微观机理目前并不清楚。因此，环境对锡须生长的影响尚需要进一步的探索。
到目前为止，工业界尚未找到完全能防止锡须生长的方法，但是，由于锡须对电子产品的长期可靠性存在着实际的威胁，目前工业界最为关注的是如何采取有效的措施能够抑制锡须的生长。但是随着电子产品无铅化进程的推进，Sn-Pb合金镀层已不再可用，有必要寻求其它有效抑制锡须生长的方法。

3. 锡须生长加速实验
评估锡须生长倾向最简单的方法就是在室温下自然存放，但这个方法很费时。因为锡须生长是一个长时期的过程，要想研究锡须生长行为，利用短期试验来评估锡须生长倾向就必须探寻合适而有效的锡须生长的加速实验方法。

3.1. 高温高湿环境
高温高湿环境是评估锡须生长趋势的一种重要手段，不过控制参数还不一致，表1是不同单位所采用的参数.在多数情况下，这种条件下锡须生长较快，因此可以定量评估锡须的生长趋势，但是由于高温高湿环境可能引起的镀层腐蚀，这种加速生长试验与实际工作环境有一定差别。

3.2. 冷热温度循环
在温度循环(Thermal Cycling)条件下，锡须可加速生长，其具体原因还不清楚，有一种基于应力的理解是镀层与基体之间的热膨胀系数CTE (coefficient of thermalexpansion)失配造成的内应力加速锡须生长。目前很多单位，包括一些军工标准均把冷热温度循环作为评估锡须生长趋势的首要加速实验方法之一，

控制参数如表2:

3.3. 高温存放
通过适当提高温度来加速锡须的生长，目前一般认为50～60℃是锡须生长的最快的温度。 但也有一些不同的观点和实验证据。目前NEMI(美国电子制造促进会)建议在50℃和85℃下存放，并推荐用这种方法加快锡须生长。它的优点是实验过程控制参数相对较少，实验费用也较低。

3.4 通电加速

建议采用通大电流的方法来加速锡镀层锡须的生长或采用脉冲电流加快锡须的生长。目前这一方法的微观机制还不清楚，一种定性的解释是：物质内部的原子在电流作用下定向移动，这一过程大大地加快了锡镀层中原子扩散的速度，导致加速锡须的生长。应用通大电流加速锡须生长的优势在于：可以通过改变电流大小和脉冲时间来定量评估锡须生长倾向。但是目前实验结果还不稳定，而且通电过程中会带来较大的焦耳热效应，需要冷却以使产生的热量迅速散发掉，这也是实验结果不稳定可能的原因之一，这一点在今后的研究中要加以特别注意。

4. 锡须的测量
针对不规则的锡须的长度测量，建议使用标准JESD 22A121.01-2005 Test Method for Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes规定的每一段的直线距离加和的方法（如图6）。这主要是因为锡须存在的环 境不稳定，由于机械振动或者外来压力等等都可能导致锡须伸直，超过标准JESD201A Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes规定中所测得的距离（如图7）。

5. 结论
（1） 锡须自发生长是一种自然现象，已经研究多年，电子产品无铅化的趋势，使得无铅镀层自发生长锡须问题再次成为工业界面临的亟需解决的重大问题。

（2）锡须形貌具有多样性，控制锡须形貌的因素目前还不清楚。

（3）影响锡须生长的因素很多，包括应力大小、金属间化合物、镀层晶粒大小及择优取向、基体材料、镀层厚度、温度及环境、电镀工艺、合金元素、辐射等。
 

（4）加快锡须生长是研究和评估锡须的重要一环，目前有多种方法和标准，如高温高湿环境(H-H)、冷热温度循环(T-C)、高温存放(H-T)、通电加速，但是还没有达成统一的标准。目前在上述所有的领域中都仍有大量的研究工作要做。

6. 参考标准
JYT 010-1996 分析型扫描电子显微镜方法通则
JESD 22A121.01 Test Method for Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes
JESD201A Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of Tin and Tin Alloy Surface Finishes
IEC 60068-2-82-2009 Environmental testing - Part 2-82: Whisker test methods for electronic and electric components

作者简介：
MTT（美信检测）是一家从事材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务的第三方实验室，网址：www.mttlab.com，联系电话：400-850-4050。