在电子工业中铅和锡是最为广泛使用的几种金属之一,而且这两种金属结合在一起使用,往往在性能会与单独使用呈现出不同迥异的特性。但是由于铅对自然和人类健康的危害,铅在电子产品中的应用正在逐渐减少。随着无铅化运动的发展,一种由于单独使用锡造成的设备故障正逐渐为人们所认知。关于使用锡的方案,我爱方案网(http://www.52solution.com)上有很多实例,如:1998年5月19日美国Galaxy IV通讯卫星上的主控制微处理出现故障,导致面积通讯中断,事后发现是卫星上镀锡继电器上的锡须导致短路,使得整个卫星失控。
一、什么是锡须
锡须是锡表面逐渐生长出的单晶态须状物。这种锡须长度一般在1mm以下,但也有超过10mm的报道。直径一般为1~3μm,最大可以到10μm。
二、锡须的危害
为了改善电子元器件的可焊性,锡往往作为电子元器件焊盘的表面镀层或BGA的焊球的主要成分。因此在经过数以年计的锡须生长后,可能会造成短路。引起系统故障。
另外由于锡须比较细,当流过大电流时会熔断,可能会造成数字逻辑错误。如果在真空或低气压大电压的情况下,锡须甚至会导致辉光放电,引发更大的次生危害。在微机电系统和机械机构间的锡须会形成碎屑,影响机械部件的运动,并容易造成磨损。
三、锡须产生的机理
目前锡须生长的机理学术界还存在争论。但是,大家基本上认为锡须是由于锡在内部应力作用下,在表层挤出来的。这种应力有的是来自机械加工时的积压、折弯,有的是来自内部金属间化合物的生成与积压。
四、锡须风险的规避
随着对锡须研究的深入,为了规避锡须风险,业界也提出了一些对策。
1、加入铅
铅对抑制锡须有明显的作用。较低含量的铅就可以显著的抑制锡须的生长。但是这种方法是以不符合RoHS等环保要求为代价的。因此只有少数对可靠性要求极高的场合,如航天、军工领域还在这么用。
2、引入阻挡层
有研究认为,来自金属间化合物的应力是造成锡须的一个因素,特别是在黄铜基材上形成的如Cu6Sn5之类的金属间化合物会加速锡须生长。因此需要在基材与表面锡镀层间加入一个阻挡层,以减少应力的产生。业界最常用的阻挡层金属就是——镍。
3、采用雾锡电镀(natte finish)技术
金属表面锡镀层内部的应力与锡晶体的晶粒大小有一定关系。晶体越小,越容易产生锡须。因此现在主要元器件厂家引脚镀层技术都是采用了雾锡电镀,其晶粒尺寸在1μm以上。
4、进行退火处理
为了消除元器件在生产过程中产生的应力,电子元器件厂家也有采用退火处理的方法来消除内部应力。
5、热浸镀
热浸镀过程内部应力较少,可以减少锡须的发生,但是这种方法多用于引脚比较大的电子元器件如变压器的处理。
6、避免使用锡
尽管除了锡以外,其他还有几种金属也会产生晶须现象。但是锡是最容易引发晶须的金属之一了。