锡须的原由以及处理方法

锡须的原由以及处理方法

锡晶须是电子产品和设备中常见的现象。要解释什么是锡晶须，首先要了解什么是晶须。晶须是一种从固体表面自然生长出来的毛发状晶体，也被称为“本征晶须”。晶须生长在许多金属上，最常见的是锡、镉、锌、锑和铟等金属。有时晶须甚至会生长在锡铅合金上，但出现的概率相对较小。晶须很少出现在铅、铁、银、金和镍等金属上。一般来说，晶须现象往往发生在相对较软且延展性较好的材料上，尤其是低熔点金属。锡晶须是自然生长在锡表面的锡晶体，这种现象给那些喜欢使用锡而不是铅进行互连的制造商带来了问题。

晶须是电子或电子产品的焊盘上自发生长的导电金属线。例如：电子设备端子、金属屏蔽壳等。特别容易产生晶须的金属有锡、镉、锌等，其中最具代表性的就是锡晶须。小鹏汽车曾因逆变器产生易引起短路的锡晶须而召回一万多辆汽车。

1.锡须的性质及产生原因

锡晶须是一些纯锡或高锡含量物体上自发形成的表面缺陷。业界对锡晶须形成的原因尚未确定，但一般认为是由内层锡层应力引起的。最常见的研究认为，锡晶须的生长始于纯锡电镀层，一旦生长过程逐渐开始，锡晶须便从“底部”逐渐生长。同时，材料供应是由更大面积的锡原子扩散供应，因此在锡晶须的根部没有层厚度的减少。生长方向有时可能会突然改变，从而导致锡晶须弯曲。

锡须的生长速度一般为0.03-0.9mm/年，在一定条件下，生长速度可能增加100倍以上。生长速度由镀层的电镀化学过程、镀层厚度、基材、晶粒结构、储存环境条件等复杂因素决定。锡须的生长主要始于电镀层，潜伏期较长，从几天到几个月甚至几年不等。一般很难准确预测锡须造成的危害。

一般来说，锡须是由以下几种原因造成的：

1、锡与铜相互扩散，形成金属间化合物，使锡层压应力迅速增大，导致锡原子沿晶界扩散，形成锡须；

2、电镀后镀层残余应力导致锡须的生长。

2. 锡须的危害

1. 垃圾污染

考虑到机械冲击或振动会导致锡须从镀层表面脱落并产生碎屑。如果这些碎屑导电材料颗粒随机移动，可能会干扰人体敏感的光信号或MEMS系统操作。此外，碎屑还可能造成短路。

2. 暂时短路

当锡须集合体所形成的短路电流超过其能承受的电流（多为30mA）时，锡须就会熔化，产生间歇性的短路脉冲，这种脉冲大多很难被察觉。

3.永久短路

当锡须长到一定长度时，它会使两个不同的导体短路。低压高阻抗电路的电流不足以熔化锡须，从而导致永久性短路。当锡须的直径较大时，它可以传输更大的电流。

4. 真空中的金属蒸汽电弧

在真空（或低压）环境下，如果锡晶须传输比较大的电流（几安培）或比较大的电压（约18伏），锡晶须就会蒸发成离子，传输几百安培的电流。电流电弧的维持，是靠镀层表面的锡，直到消耗殆尽或电流终止。这种事情很容易发生在保险丝等器件上，或线路断开时。有一颗商用卫星就曾发生过这种情况，导致卫星偏离轨道。

3.预防和抑制锡须的具体措施

考虑到锡须的出现需要较长的时间，而且出现后可能造成严重的危害，所以要解决锡须问题必须从防止和抑制锡须的生长入手。到目前为止，普遍有效的方法还不十分明确，但一般都是尽量避免焊料镀层内部产生压应力。

常规解决方案：

1、电镀雾锡改变其晶体结构，减少应力；

2、150摄氏度烘烤2小时进行退火；（实验证明，90摄氏度以上锡须就会停止生长）

3、FST镀锡工艺添加少量有机金属添加剂，限制锡铜金属间化合物的形成；

4.在锡和铜之间添加阻挡层，例如镍层；

5、抑制锡须，目前发现的最佳方法是在锡中添加铅，但由于铅不环保，因此抑制锡须需要从其他角度解决；

6、添加1-2%的金对抑制锡须也有很好的效果。

锡须生长简单来说是一种应力释放的现象，根据目前的研究成果，应力可以简单分为三种：机械应力、热应力、化学应力；其中化学应力是导致锡须自发生长的最重要原因。

1. 机械应力

机械应力通常由外界产生，特别是压缩性机械应力，更容易加速锡须的生长。例如，当连接器与柔性印刷电路板（FPC）连接时，大多数情况下连接器夹紧FPC引脚。此时，柔性印刷电路板（FPC）上的金属引脚将受到连接器内金属端子的夹紧压力。在受到压力的柔性印刷电路板上的金属引脚边缘很容易发现锡须。

2.热应力

热应力是指产品在经受高低温变化时，两种材料结合的膨胀系数不同而产生的压缩或拉伸力。Sn的膨胀系数比Cu大，因此在制造过程中，Sn镀层在经过回流焊后回到室温时，其实是受到Cu基材产生的拉力，但仍然能发现锡须。其原因可能是化学应力自发产生的锡须生长应力远大于热应力，以及镀层中任何不均匀引起的局部压应力。

3. 化学压力

以最常见的Cu基金属引脚为例，其化学应力的主要来源就是Sn与Cu反应生成界面金属合金IMC。一般在室温下Cu原子会自然扩散到Sn中生成界面金属合金IMC。Sn与Cu之间的这种界面金属合金IMC会形成推力，而Sn与Cu生成金属间化合物的反应在室温下可以从底部进行。因此，这种生成金属间化合物的反应会持续发生，并持续提供化学应力，迫使Sn层受到推力。此时如果Sn表面有氧化层，可以堵住Sn向外延伸的空间，但氧化层一旦出现裂纹，Sn就会被推离缝隙，形成锡须。

锡须观察的测试方法及比较：

常见的锡须测试方法是通过环境测试进行加速模拟，最常用的方法有以下几种：

1、高温高湿下锡须生长曲线

2. 热冲击过程中锡须的生长曲线

3. 室温下锡须生长曲线

4. 施加纵向压力时的锡须生长曲线

锡须建议解决方案：

1、电镀工艺的改进：在Cu上镀镍，在镍上镀钯，在钯上镀金，主要是为了形成Cu扩散的阻挡层，防止Cu直接与Sn发生化学反应形成界面金属合金IMC，产生应力。

2、镀较厚的Sn层，大概8-12um厚，这样由于Sn和下面的Cu的平移对Sn表面产生的应力就会比较小，应力越小，Sn表面越不容易长出锡须。

3、电镀前后均需进行退火热处理，一般退火条件可为150度/1~2小时，退火的目的和作用为消除加工应力，使IMC厚度均匀，防止再结晶或晶粒长大。

4、雾锡电镀：雾锡表面晶粒较大（~5um）（亮锡晶粒~0.2um），锡须直径一般与表面晶粒直径相近。因此雾锡电镀虽然未必能阻止锡须的生长，但锡须不会很长，不易造成产品的短路故障。