掃一掃添加公司企業(yè)微信：
工廠電話：0755-23725589
工廠傳真：0755-23725588工廠郵箱：pcb@szylxpcb.com
ＱＱ（售前）：1213832989
ＱＱ（售前）：770337439
辦公地址：
深圳市寶安區(qū)沙井街道和一社區(qū)南環(huán)路469號1棟
工廠地址：
深圳市寶安區(qū)沙井鎮(zhèn)西環(huán)路1001號上星西部工業(yè)園聯(lián)昇線路板工業(yè)區(qū)B棟
無鉛錫須——化學沉錫板錫須生長機理及特性研究（友聯(lián)鑫電子）
發(fā)布時間：2019-02-28 閱讀量：5293
摘要：錫須是化學沉錫表面處理應用推廣遇到的最大阻礙，錫須的存在嚴重影響了產品的可靠性。文章重點對錫須的生長機理進行了分析，通過實驗設計對機理進一步驗證。探究了化學沉錫PCB不同區(qū)域錫須生長差異特性，得到了錫須的持續(xù)性生長規(guī)律，為化學沉錫板錫須改善提供參考依據(jù)。
關鍵詞：錫須；沉錫；生長特性；
0 前言
隨著目前全球推行環(huán)保，含鉛焊料被禁止使用，產品開始轉用無鉛焊料完成PCB與元器件之間的焊接，如目前常用焊料Sn、Ag、Cu合金體系。傳統(tǒng)的有鉛噴錫，逐漸被種類繁多的無鉛化表面處理所替代，如：沉金、沉銀、沉錫、無鉛噴錫、OSP等，其中化學沉錫工藝，相較其他表面處理擁有更加優(yōu)良潤濕性能而成為目前流行的表面處理，如圖1為不同表面處理與SAC305的潤濕性能對比，化學沉錫對焊料具有最大的潤濕力。而且近年來微波高頻板市場發(fā)展旺盛，化學沉錫PCB低損耗特、成本低廉的特性，獲得了大量微波高頻客戶的青睞，化學沉錫表面處理的訂單比例不斷攀高。
然而目前隨著PCB化學沉錫表面處理的推行，發(fā)現(xiàn)化學沉錫層自發(fā)生長錫須，為電子產品的可靠性埋下了致命風險。錫須是從純錫或錫合金鍍層表面自發(fā)生長出來的一種細長形狀的純錫的結晶，錫須的直徑通常為1~3μm；長度通常為1μm到1mm，最長可達到9mm。錫須的形狀多樣，一般呈針狀居多，如圖2所示。
錫須的存在不僅使電路存在短路風險，還可能影響信號的完整性傳輸，對產品整機的可靠性及性能帶來不利影響。因此面對化學沉錫板的錫須生長危害，迫切需要對錫須的機理、生長特性展開研究，從機理認識角度規(guī)避錫須生長風險。
1 機理分析
目前關于錫須的形成機理存在較多的模型,其中較為普遍的是壓應力生長機理模型[1]。Cu/Sn界面處由于“晶界擴散”模式生長出不規(guī)則IMC，對Sn層產生壓應力，由于Sn面氧化膜的包裹下，應力產生積累，而從氧化膜的薄弱點“破土”萌生，在IMC的持續(xù)形成下，引發(fā)錫須自發(fā)生長的現(xiàn)象。
（1）“晶界擴散”機理
晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動能，并且晶界處存在較多的缺陷(如空穴、位錯等)，所以原子在晶界處的擴散比在晶內快得多。因此，在固態(tài)相變過程中，晶界處的能量較高且原子活動能力較大，新相易于在晶界處優(yōu)先形核。界面IMC的形成是金屬間互擴散的結果。在Cu與Sn的互擴散中，一般晶界擴散占主導，Cu原子易于向Sn晶界處擴散，從而集中在晶界處形成大量的Cu6Sn5，因此界面IMC呈現(xiàn)出晶界生長的特征，如圖3。
由各物質的相對原子質量和密度計算可得，Cu 原子向 Sn 晶界中擴散并形成Cu6Sn5時，與原位 Sn原子所占體積相比，Cu6Sn5的形成將使得體積增加了44.8%。由固態(tài)相變理論可知，若新相與母相的比容不同，新相形成時的體積變化將受到周圍母相的約束，從而產生彈性應變。因此，界面處形成的Cu6Sn5由于其比容比基體大，在Sn面氧化膜的存在下導致錫層內產生壓應力[2]。
如圖4，在晶界擴散方式下生成的IMC（Cu6Sn5）對Sn層產生了水平和豎直方向的壓力應力梯度，在應力梯度下產生應力集中點，當內應力足夠大時，沖破了錫面氧化膜的阻隔而形成錫須，由于IMC層持續(xù)的生長而導致錫須發(fā)生持續(xù)性生長[3]。
2 實驗設計
2.1 實驗設計目的
（1）通過觀察，確定錫須的生長方式及生長特性；
（2）驗證錫須生長模型；
（3）探究沉錫板的錫須生長規(guī)律；
（4）探究無鉛回流對錫須的影響；
2.2 實驗板圖形設計
i
2.3 實驗儀器與實驗材料
測試儀器：場發(fā)射掃描電鏡，金相顯微鏡，體式顯微鏡；
表面處理：化學沉錫。
2.4 實驗參數(shù)
試驗板關鍵參數(shù)：
2. 5 試驗流程
開料→鉆孔→沉銅→板鍍→負片電鍍→外層圖形→外層蝕刻→化學沉錫；
2. 6 數(shù)據(jù)采集方法
錫須長度測量：掃描電鏡500X下長度測量；
錫須生長數(shù)量：金相顯微鏡下統(tǒng)計錫須生長數(shù)量。
3 實驗結果及分析
3.1 錫須萌生觀察
使用掃描電鏡對沉錫后的樣品進行持續(xù)性觀察，監(jiān)控錫須萌生期錫面的微觀結構變化，如圖6所示。
如圖6中錫須萌生及長出過程，錫面表面氧化膜發(fā)生破裂，引發(fā)錫面晶�；蚓ЯA縫成為錫須生長點，受應力作用被擠出形成錫須。
3.2 錫須生長特性
根據(jù)錫須壓應力生長機理，PCB主要鍍錫的導體有PTH孔、導體表面、導體側壁（平邊、圓邊）三種位置將具有不同的應力作用模式，根據(jù)內應力理論對三種位置進行受力分析，如圖7所示。
針對PCB不同位置受力位置進行受力分析，根據(jù)結構特點，PTH孔內及孔口應力最大、其次是導體表面、導體側壁。
觀察存放3個月的沉錫庫存板，在PCB基本組成位置：PTH孔、焊盤表面、導體邊角的錫須生長情況，結果如圖8所示。
小結：錫須在不同位置生長情況存在明顯差異，錫須數(shù)量：PTH孔>焊盤表面>邊角，錫須應力集中的位置容易生長錫須；PTH孔、焊盤表面應力較集中，積累較大，容易引發(fā)錫須的生長；邊角位置應力較難積累，錫須主要出現(xiàn)在線路頂角，與受力分析模型保持一直，說明內應力大小決定了錫須生長幾率，應力集中位置錫須更加容易生長。
3.3 錫須生長規(guī)律
將沉錫板進行室溫存放（24.5℃，52%RH），以10day為周期，對試驗板的錫須生長情況進行觀察，如圖9。
對試板圖形不同區(qū)域的錫須生長情況（平均長度、同區(qū)域錫須生長數(shù)量）進行統(tǒng)計，結果如圖10所示。
如圖10錫須的生長情況統(tǒng)計，實驗板的錫須數(shù)量及長度隨著存放時間的增長而增長，不同位置錫須的生長數(shù)量存在明顯差異，PTH孔錫須生長速度、生長長度及生長密度均明顯大于實驗室其它設計區(qū)域，最大長度可達到168μm（如圖9）；孔環(huán)及邊路邊角的錫須生長數(shù)量相對較少，但平均長度仍可達到50μm左右。
3.4 沉錫板IMC生長特性
使用化學咬蝕法，蝕取不同階段的沉錫板錫層，觀察底部的IMC的形貌變化特性，IMC的生長形貌觀察結果如圖11所示。
小結：從不同時間段的IMC形貌圖可以明顯看出，在Cu-Sn界面處Sn晶粒間隙出形成了“環(huán)形凸起”的不規(guī)則IMC，隨著存放時間的延長，IMC始終圍繞晶粒間隙生長，保持輪廓形態(tài)不變，而凸起位置厚度加厚的現(xiàn)象。說明固態(tài)Cu-Sn體系，IMC主要以“晶界擴散”方式形成，形狀為與Sn晶粒輪廓互補的“環(huán)形凸起”。
3.5 無鉛回流對錫須的影響
3.5.1 無鉛回流對已生長錫須的影響
如圖12，回流過程的高溫使部分錫須發(fā)生液化流平，三次以內回流后均存在較多錫須殘留；5次回流后錫須大部分消失，但仍有少量錫須殘留，說明錫須具有一定的耐回流特性，儲存過程已生長的錫須，在回流后對電路仍存在短路等不良風險。
3.5.2 沉錫板回流后錫須生長情況
對沉錫后的樣品進行不同次數(shù)的無鉛回流，以及印刷錫膏回流焊接，室溫下存放90d后觀察樣品的錫須生長情況，結果如圖13。
如圖13的觀察結果發(fā)現(xiàn)，1次無鉛回流過后的沉錫樣品，仍然具有一定錫須生長能力，而多次回流樣品未再出現(xiàn)錫須生長情況，說明對于不回流的產品或1次回流產品仍將存在錫須生長的可靠性隱患。
5 總結
經(jīng)過上述分析以及化學沉錫板錫須生長的實驗探究，可以得到以下幾點結論：
（1）Cu/Sn界面處IMC以晶界擴散方式生長，引發(fā)Sn層產生了水平和豎直方向的壓力應力梯度，在應力梯度下產生應力集中點，應力集中點處錫面氧化膜破裂后，在應力作用下產生錫須，釋放應力；
（2）化學沉錫PCB，表面導體的不同位置受應力分布影響，錫須在不同位置生長情況存在明顯差異，錫須應力集中的位置容易生長錫須，PTH孔>焊盤表面>導體邊角；
（3）無鉛回流的高溫可以使部分錫須發(fā)生液化流平，三次以內回流后均存在較多錫須殘留；5次回流后錫須大部分消失，但仍有少量錫須殘留，說明錫須具有一定的耐回流特性，儲存過程已生長的錫須，在回流后對電路仍存在短路等不良風險；
（4）經(jīng)過1次無鉛回流過后的沉錫樣品，仍然具有一定錫須生長能力，經(jīng)歷2次及以上無鉛回流的化學沉錫板將不再產生錫須的生長。