1998年5月，银河4号卫星在太空中因锡须的生长而毁坏，其中卫星控制处理器中的一个晶须使一对金属触点发生桥接或短路。由于锡铅共晶焊料将被锡基无铅焊料代替，锡须问题备受关注。引线框架引脚上的锡须的扫描电子显微镜照片如图1.10所示，可明显看到一条很长的晶须桥接了一对引脚。它由压应力梯度驱动并在外表面产生。锡须生长是自发的，这表明压应力是自生的，不需要外部施加。图1.10使两个引脚发生短路的锡须的SEM照片......
2023-06-20
有效预防锡须自发生长的方法
【摘要】：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。
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（由台湾交通大学的Chih Chen教授提供）
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。如果我们去除任何一个条件，理论上都不会有晶须生长。但是我们从同步辐射的研究结果中发现：只需非常小的应力梯度，晶须便能够生长，因此阻止晶须的生长就变得十分困难。美国电子制造业联合会（National Electronics Manufacturing Initiative，NEMI）曾经推荐了一种解决方案，即通过在铜制引线框架与无铅焊料镀层之间增加一层镍的扩散阻挡层来防止铜与锡之间的反应，以去除条件二。而若要去除条件三，那么镀层上不能有氧化物，而这只有将样品一直保存在超高真空环境中才能实现，因此去除条件三是不现实的。此处我们提出了一个去除条件一的方法，即阻碍锡沿晶界的扩散过程。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。
因为锡须生长是一种不可逆过程，且该过程耦合了应力的产生和释放过程，因此如何使应力的产生与释放过程分开对于预防锡须的生长至关重要。换言之，我们必须同时消除应力的产生和释放过程。应力的产生过程可通过使用一个扩散阻挡层来阻止铜向锡的扩散过程从而得以消除。除镍外，我们也可以采用Cu3Sn金属间化合物作为该扩散阻挡层。在第3章中，我们曾论述过60℃以上时，在铜与锡之间会形成Cu3 Sn，因此，对铜制引线框架上的锡镀层进行一次60℃以上的热处理工艺，就可以在它们之间形成Cu6Sn5和Cu3 Sn，从而将其作为扩散阻挡层使用。
至今，对于消除应力的释放过程还没有任何解决方案。换言之，我们还不知道如何防止蠕变过程或锡原子向晶须的扩散过程。而我们有可能采用另一层扩散阻挡层来实现这一目标。因为我们必须阻挡镀层中锡原子从每一个晶粒的扩散，所以这并不容易。通过向哑光锡或锡铜共晶焊料中添加几个百分比的铜或其他元素，我们或许能够成功阻挡锡原子的扩散。我们曾论述过锡铜共晶焊料中的铜的原子百分含量只有1.3%（质量分数为0.7%）。因此为了能让镀层中的所有晶界处都生成足够多的Cu6 Sn5，我们应当将铜成分浓度增加至几个百分比（质量分数为3%~7%），而这样的话，所有的锡晶粒就都会被晶界处的一层Cu6 Sn5所包覆，因此晶界包覆层便成了一个防止锡原子离开锡晶粒的扩散阻挡层。若没有锡原子的扩散，就切断了锡的供给，也就不会再有锡须的生长了。图6.17所示为铜制引线框架上的一种锡铜焊料镀层在镍扩散阻挡层上的层状结构。我们需要对铜的最佳成分浓度进行更多的研究。为了研究含高浓度铜的电镀锡铜表面的微观结构，我们需要获得样品的断面SEM和FIB图像。
图6.17 在铜制引线框架上的一种锡铜焊料镀层在镍扩散阻挡层上的层状结构
我们选择铜（或其他元素）在锡中形成晶界析出相的原因有两个：第一，当锡中的铜过饱和时，它不会再从引线框架中获得更多的铜原子；第二，铜的添加不会对镀层表面的润湿性造成强烈的影响。若没有好的润湿性，它将不能作为引线框架上的镀层，原因在于镀层最重要的特性是在助焊剂的帮助下很容易被熔融焊料浸润。
对于可靠性要求低的器件，并不需要使用镍的扩散阻挡层，而是直接将具有质量分数为3%~7%铜的锡铜焊料电镀至铜制引线框架上就足够了。如上所述，当锡中的铜元素过饱和时，它将不会再从引线框架中获得更多的铜原子，这样做的好处在于无需增加额外的镀镍工艺，因此其工艺成本会比较低。而对于可靠性要求高的器件，我们需要保留镍扩散阻挡层，并将锡铜焊料镀在镍上，这样的扩散阻挡层组合可以同时阻挡铜和锡的扩散，其阻挡效果会比单独使用其中一个阻挡层更加有效。
添加几个百分比的铜是否有效取决于铜元素是如何被添加的，比如说可通过使用纳米铜颗粒进行添加。此外，我们也必须要研究该方法是否会产生其他问题，如晶界析出相的致脆性所导致的潜在问题。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。众所周知，向镀层中添加几个百分比的铅元素可有效预防锡须的生长，而且由于铅比较软，因此它可以降低锡中的局部应力。此外，由于“锡-铅”是一个共晶系统，其共晶微观结构是由两个相互分离且混合排列的相组成的，因此它们会相互阻隔彼此之间的长程扩散过程。故添加一些与锡具有共晶相图且比较软的其他种类元素（如铋、铟、锌等）或许是种不错的选择。如果不存在锡的扩散，我们便认为锡须不会生长。最后，避免锡须生长的最简单的方法或许是在封装结构中采用厚膜工艺。
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