减轻镀锡表面的锡须生长

2015-3-13 13:36:02 6905 电子设备

0 减轻镀锡表面的锡须生长使用纯锡铅表面处理时，可能会生长锡须，这是值得关注的问题之一。近年来，人们已经做了大量的测试和分析工作，对于锡须在各种不同环境条件下的生长成因，有更多了解。本文将讨论，在电子设备工程联合委员会（JEDEC）标准推荐的三个加速测试期间，锡须生长的机制。作者：Sheila Chopin、Peng Su博士人们对减轻纯锡表面处理中生长锡须的现象已经有了广泛的研究。这些研究数据说明，形成锡须的主要原因是表面的应力增大，它受到由各种因素的影响。举个例子，电镀过程会因为颗粒大小、厚薄和污染物水平不同而影响镀锡表面的应力状态。像温度和湿度这样的应用条件，也会诱导微观结构发生某种改变，从而影响锡须的生长速度。本文讨论在电子设备工程联合委员会（JEDEC）推荐的三个测试条件下进行的测试。在一定程度上，这些测试代表一些常见的实地应用条件。在测试结果的基础上研制减轻锡须生长的技术，可以有效地用于现实环境。加速测试 JEDEC推荐的测试条件摘要列于表1。对于空气对空气温度循环（AATC）测试，允许的温度范围是-40℃到85℃；但本文中所有研究使用的温度范围是-55℃到85℃。在热循环测试中，导致锡须生长的原因，是三个测试中最简单的。因为锡和引脚结构材料之间的热膨胀系数（CTE）不同，温度变化会在锡表面产生热应力。由于使用的温度范围较宽，在一个很短的时间内，在表面中会产生很高的热应力，因而忽视由于速度较慢的机制而产生的应力。在确定热应力大小时，锡颗粒的结晶方向是另一个重要因素。锡晶格是各向异性的，这意味着，在不同的结晶面，或者沿着不同结晶方向，机械特性（如杨氏模量和热膨胀系数）有可能会发生变化。对于镀锡表面，因为它通常由一层晶粒组成，我们需要关注只是水平方向元件的膨胀系数（CTE）和膨胀量（E）。当晶粒1和晶粒2的膨胀量和膨胀系数数值不同时，两种晶粒之间的应力就可能不同，即使它们的热应变相同也是如此。这种差别在晶粒表面产生了应力集中点，在这里，锡须成核的可能性就会比较高。化学物质和电镀工艺参数的选择，对于决定锡处理的微观结构也很重要。即使对于同样的电镀化学物质，控制某些工艺参数，也会导致不同的锡表面和晶粒方向。图2a和b是用两组不同的电镀参数，经过了1，000次AATC循环之后的镀锡表面。有一种工具能够提供颗粒方向信息，这就是X射线衍射仪（XRD）。过程的变化能够在XRD光谱上显示为方向或者峰值亮度的差别。在AATC测试期间，在与锡须生长的方向相关的数据方面，我们已经取得了初步的成功，这说明，可以把XRD用作一个有效的开发工具，来寻找最佳的工艺窗口以及研究工艺变化的效果。低温、低湿度储存对于低湿度，恒温储存测试，锡须生长的成因更加复杂。因为测试的持续时间长，许多机制都会促成晶核形成和产生锡须生长。镀后再结晶、表面氧化物、晶粒方向和金属间化合物（IMC）的生长，都会影响锡须生长的速度。在这些因素中，锡铜界面上的IMC生长是锡铜材料组合产生应力的最主要来源。在室内温度下，锡铜的I 腐蚀作用完全是在局部地方。在一项研究中，我们检查了10,000个引脚，测试时间超过4,000小时。所有观测到的锡须全部是在腐蚀了的部位，而未腐蚀的其他表面没有锡须。为什么腐蚀会加速锡须的成核和生长过程，目前还不明了。但无论如何，这已经表明，可以通过电路板装配工艺降低腐蚀。上面所提到的那些类似的元件，是用锡铅或者锡银铜焊膏安装到电路板上的，而且测试条件也相同。经过4,000小时测试后，只有很少的引脚有腐蚀和锡须生长的迹象。要想了解安装在电路板上的元件和散装元件之间锡须生长的区别，必须测量再流焊接后锡铅和锡银铜焊膏的原电池势能，并和纯锡焊膏作比较。结果显示，两种焊膏都比纯锡焊膏更容易受到阳极化侵蚀，这说明，用这些焊膏中的任何一种来装配元件时，它们有利于降低锡的腐蚀速度。考虑到腐蚀效果，对于腐蚀涉及厉害关系的应用条件而言，系统制造商必须采取其他措施。例如，在可以控制或者消除表面腐蚀以及因腐蚀而导致锡须生长的情况下，也可以使用抗腐蚀涂层。结论从几个公布的评估中得出的测试和分析结果认为，荷载应力是镀锡处理中锡须生长最可能原因。由于锡须成核和生长的过程复杂，必须使用系统的方法来减少或者消除锡须的生长。根据目前对锡须生长机制的理解，减轻锡须生长的有效方法是，管理良好的电镀过程、镀后的烘烤工序，再加上元件和系统制造商的共同努力，就能够降低镀锡表面的腐蚀速度。作者简介 Sheila Chopin是Freescale半导体公司和技术方案部材料技术集成经理，电子邮箱：sheila.chop-in@freescale.com。Peng Su博士是Freescale半导体和和技术方案部高级封装技术专家, 电子邮箱：peng.su@freescale.com。 0
2015-3-13 13:36:02　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 详解SAC305锡膏在腐蚀环境的锡须生长 1828 • KOH和HCl处理后氧化铟锡表面的表征 1231 • 为什么要用锡线？为什么镀锡线在螺钉端子中会松动？ 2512 • 电子设备中减轻锡须技术的介绍 2231 • 石墨烯与金属表面的结合是如何影响其生长过程和质量的？ 7436 • 镀锡铜带_什么是镀锡铜带 3188 • 为何PCB做个喷锡的表面处理，板子就短路了 4015 • 如何避免镀锡铜排表面划伤，具体对策的介绍 2639 • 铜排镀锡表面粘结的因素有哪些，都有哪些对策 2310 • PCBA表面锡珠可接受标准 1552 1 个讨论