图6.16一组锡铅焊料条带的阳极终端处生长的晶须的SEM照片在本章分析论述的基础上，我们归纳出晶须自发生长的三个不可或缺的条件：一是锡在室温下沿晶界扩散；二是锡与铜之间生成Cu6 Sn5的室温反应为锡须生长提供了压应力环境或驱动力；三是锡表面保护性氧化物的破损。若能够进一步同时去除条件一和二，那么锡须生长的预防效果将会更加理想。对于防止晶须的生长而言，是否存在比铜更好的其他元素也是接下来值得研究的课题。......
2023-06-20
锡须生长加速试验，效果惊人！
【摘要】：就算仅有一个晶须发生了生长行为也可能对可靠性造成威胁。对于锡须生长，虽然有可能在60℃的环境下进行测试，但是由于原子扩散过程缓慢，晶须的生长速率还是相当慢的。此处，我们考虑利用电迁移现象来进行晶须生长的加速测试。但是，除非我们确认由电迁移所驱动的晶须生长与在无铅焊料镀层上的锡须自发生长的生长行为和机理完全一致，否则这样的加速测试或许实际意义并不大。
锡须的一个令人讨厌的特性就是当我们需要其生长时，它并不生长，而当我们不希望它生长时，它偏偏会进行生长。就算仅有一个晶须发生了生长行为也可能对可靠性造成威胁。为预测无铅焊料镀层在无晶须生长条件下的寿命，就如同研究大多数可靠性问题一样，我们要进行加速测试。在更大的驱动力或更快的动力学状态下，只要其失效机理保持一致，我们便可以进行加速测试。通常，测试会在更高的温度下进行，从而获得控制反应速率的激活能量，而该测试的分析过程能够让我们推测出器件在正常工作温度下的寿命。对于锡须生长，虽然有可能在60℃的环境下进行测试，但是由于原子扩散过程缓慢，晶须的生长速率还是相当慢的。而当温度接近100℃时，其扩散过程变快，足以释放掉应力。如此我们就遇到了一个驱动力与动力学过程具有竞争关系的窘境。虽然我们可以在锡中添加铜，从而使得如锡铜共晶焊料中一样的晶须生长得更快，但其速率还是不够快。此外，我们也需要将铜对晶须生长的影响效果加以分离，从而进行独立的研究。
此处，我们考虑利用电迁移现象来进行晶须生长的加速测试。我们将在第8章介绍电迁移有关的内容。在经典的铝质短条的Blech电迁移测试结构中，铝原子会在电场作用下从阴极迁移到阳极，在阳极处建立起压应力场，并在该条带的终端部位形成小丘状凸起。利用电迁移现象来研究晶须生长的一大优势在于：我们不仅能够调整所施加的电流密度（更大的驱动力），还可以设置更高的测试温度（更快的动力学过程）。这样的话，我们就能够同时控制驱动力与动力学过程。
图6.15所示为纯锡试样在电迁移作用下阳极处的锡须生长图[27-28]。在测定其生长速率与晶须直径时，我们得到了单位时间内晶须体积的改变量，即V＝JA dtΩ，其中J是电迁移通量，其单位为原子个数/（cm2·s），A是晶须的横截面，dt是单位时间，Ω是原子体积。在已知J的前提下，便有
图6.15 纯锡试样在电迁移作用下阳极处的锡须连续生长
式中，纯锡中C＝1/Ω；D是扩散率；kT是热力学能量；σ是阳极处的应力值，且我们假定阴极处的应力为零，dσ/dx是沿锡的短条带dx长度上的应力梯度；Z*是在电迁移过程中扩散锡原子的有效电荷数，e是电子电荷，j是电流密度，ρ是锡在测试温度下的电阻率。我们可以从式（6.16）中计算得到σ。
为确定晶须生长中的应力梯度，我们需要注意，电子是从条带阳极的底部拐角处流出的。因为锡原子是被推挤至这一点的，所以此处的应力值最大。当阳极顶部的拐角上面的氧化物破损时，便会建立起一个垂直方向上的应力梯度。正是在这个应力梯度的驱使下，晶须或小丘便能在阳极上生长。
图6.16所示为一张在电迁移驱动下，一组锡铅共晶焊料条带的阳极终端上晶须的SEM照片。我们利用聚焦离子束进行切割制得该条带，并发现晶须已在其阳极终端处生长。如果我们保持条带的尺寸与所施加的电流密度不变，当获得生长与时间之间的函数关系后，我们或许可以测定锡须生长的激活能。但是，除非我们确认由电迁移所驱动的晶须生长与在无铅焊料镀层上的锡须自发生长的生长行为和机理完全一致，否则这样的加速测试或许实际意义并不大。
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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