電子封裝中的錫須現(xiàn)象及其控制策略

錫須（Tin whiskers）是在純錫（Sn）或含錫合金表面自發(fā)形成的細(xì)長(zhǎng)、針狀的錫單晶。這些錫須通常只有幾個(gè)微米的直徑，但長(zhǎng)度可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)毫米甚至超過10毫米，從而可能引發(fā)嚴(yán)重的可靠性問題。以下是關(guān)于錫須生長(zhǎng)機(jī)制、影響因素以及抑制措施的綜合解釋：

錫須生長(zhǎng)機(jī)制

1.驅(qū)動(dòng)力：錫須生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力
主要來源于Sn和Cu之間在室溫下反應(yīng)生成的Cu?Sn?金屬間化合物。這種反應(yīng)在Sn內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。

2.壓應(yīng)力釋放：由于Sn的室溫均勻化溫度較高，Sn原子沿晶界擴(kuò)散較快。壓應(yīng)力通過原子擴(kuò)散和重新排列來釋放，導(dǎo)致垂直于應(yīng)力方向的Sn原子層遷移，沿著晶界向錫須根部擴(kuò)展，促使錫須生長(zhǎng)。

3.自發(fā)過程：只要存在自由的Sn和Cu原子，錫須生長(zhǎng)就會(huì)持續(xù)進(jìn)行，是一個(gè)自發(fā)過程。

圖2笛狀晶須和呈尖銳角度完全的晶須

影響錫須生長(zhǎng)的主要因素

1.晶粒取向和尺寸：柱狀晶和單晶柱狀晶更容易導(dǎo)致錫須生長(zhǎng)，而細(xì)小晶粒也更容易產(chǎn)生錫須。

2.鍍層厚度：2~3μm厚的涂層在高應(yīng)力下發(fā)生錫須的可能性最大。

3.鍍層下材料：Ni作為底襯材料時(shí)錫須生長(zhǎng)傾向小，而Cu作為底襯材料時(shí)錫須生長(zhǎng)傾向大。

4.溫度和濕度：錫須的增長(zhǎng)取決于溫度與濕度，低溫低濕條件下錫須生長(zhǎng)的可能性較小。

5.材料純度：純錫表面最容易使錫須增長(zhǎng)。

抑制錫須生長(zhǎng)的措施

1.合金化：在鍍槽中加入合金元素如Bi或Ag，可以有效防止錫須生長(zhǎng)，但需注意合金加工性和成本問題。

2.擴(kuò)散阻礙層：在Sn和Cu之間添加一擴(kuò)散阻礙層，如電鍍一薄層Ni，可以減緩Sn和Cu之間的反應(yīng)，從而抑制錫須生長(zhǎng)。

3.表面預(yù)處理：在Cu基體或引線框架表面預(yù)先電鍍NiPdAu等，也可以有效地抑制錫須生長(zhǎng)。

4.優(yōu)化工藝參數(shù)：控制焊接溫度盡可能低，濕度盡可能小，以減少錫須生長(zhǎng)的可能性。

圖3純Sn涂層上短晶須的SEM照片

表面氧化物對(duì)錫須生長(zhǎng)的影響

1.必要條件：只有會(huì)產(chǎn)生表面氧化膜的金屬才會(huì)出現(xiàn)錫須生長(zhǎng)。

2.氧化膜厚度：表面氧化膜太厚會(huì)阻止錫須生長(zhǎng)，而太薄則有利于錫須生長(zhǎng)。

3.氧化膜不連續(xù)性：氧化膜的不連續(xù)性為錫須生長(zhǎng)提供了通道。

4.錫須形態(tài)：表面氧化膜的存在阻止了錫須向側(cè)面長(zhǎng)大，保持了錫須的均勻橫截面。

總之，錫須生長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及多個(gè)因素。通過深入理解錫須生長(zhǎng)機(jī)制并采取相應(yīng)的抑制措施，可以有效地減少錫須對(duì)電子器件可靠性的影響。