无铅制造之锡须风险
锡须生长影响因素及预防措施方案
温度对锡须生长的影响
影响程度
温度是影响锡须生长的主要因素之一。适宜的温度范围可 以促进锡须的正常生长，而过高或过低的温度则可能导致 锡须生长的异常。
生长机制
在适宜的温度下，锡原子能够获得足够的能量进行表面扩 散，从而形成锡须。而在高温条件下，锡原子表面扩散速 度加快，可能导致锡须生长速度加快。
预防策略
预防策略
减少或避免锡产品受到机械应力的作用。在生产和加工过程中，采取 适当的操作和控制措施，确保锡产品不受到过大的机械应力。
03
锡须生长的预防措施
合理控制温度和湿度
温度控制
保持适宜的温度范围，避免过高或过 低的温度对锡须生长的影响。在高温 环境下，锡须生长速度会加快，因此 需要控制温度以减缓锡须的生长。
振动和冲击控制
减少产品或组件在运输、使用过程中受到的振动和冲击，可 以降低机械应力对锡须生长的影响。合理设计和选择包装材 料，提供良好的缓冲和保护，能够减少振动和冲击引起的锡 须生长问题。
选择抗锡须生长的材料和工艺
抗锡须材料选择
采用抗锡须性能良好的材料，如添加特定的合金元素或采用特殊的表面处理工 艺，能够提高材料的抗锡须生长能力，减少锡须的生长倾向。
效果评估
对采取湿度控制措施后的 锡须生长情况进行观察， 评估湿度控制策略的效果 。
案例三：采用抗锡须生长材料的应用实践
材料选用原则
阐述选用抗锡须生长材料的原则，如耐腐蚀性、 抗氧化性等。
材料应用实践
方法、效果等。
长期性能评估
对抗锡须生长材料在长期使用过程中的性能进行 评估，验证其稳定性和可靠性。
清洗与存储
在PCB板的生产过程中，应定期清洗板面，去除可能导致锡须生长的污 染物。同时，存储时应保持干燥通风，避免潮湿环境加速锡须生长。
电子产品中的锡须现象与危害
电子产品中的锡须现象与危害关键字：锡须电子行业电子连接器电器短路背景在政府法规和市场的共同推动下，全球电子行业已经进入无铅电子时代1,2。
未能及时转到无铅电子的公司将为国际市场所淘汰。
为了适应这个趋势，许多电子元件制造商用纯锡和含锡量很高的无铅合金取代铅合金进行表面处理。
制造商是根据它们的价格、耐腐蚀性以及它们与含铅焊料和无铅焊料的兼容性作出这个选择的。
使用不含铅的锡进行表面处理的缺点是会形成锡须。
什么是锡须？晶须是一种头发状的晶体，它能从固体表面自然的生长出来，也称为“固有晶须”。
晶须在很多金属上生长，最常见的是在锡、镉、锌、锑、铟等金属上生长。
甚至有时锡铅合金上也会生长晶须，但发生概率较小。
晶须很少出现在铅、铁、银、金、镍等金属上面。
一般来说，晶须现象容易出现在相当软和延展性好的材料上，特别是低熔点金属。
锡的晶须简称锡须，它是一种单晶体结构，导电。
锡须可以呈现各种形态，如直线形、弯曲、扭结甚至环形等，其截面常呈现不规则的形状，外表面有不规则的条纹，就像是从不规则形状的模具中挤压出来的一样。
大多数的锡须在其根部存在着凹坑。
锡须的产生和成长机理（1）内部应力型锡晶须产生和生长的机理对这些锡晶须现象机理的解析正在逐步展开。
关于锡晶须产生的机理有以表面氧化为驱动力的转移论和Sn原子通过晶界扩散作为锡晶须而生长的再结晶理论。
还有在Sn镀层中，来自基底材料的Cu扩散，形成金属间化合物，施加在Sn镀层上的压缩应力成了锡晶须生长的驱动力。
还有人认为因为与Sn镀层的主配向呈不同配向而产生锡晶须。
锡晶须经氧化膜的裂纹而生长，该成长可用棱镜形转移图说明。
这些锡晶须的产生机理与外部应力型锡晶须不同，但是由扩散和氧化等加给Sn系镀膜上压力的事实，意味着它就是锡晶须产生和成长的原因。
这些内部应力型锡晶须，因扩散和氧化是主要原因，所以在较长时间内锡晶须有成长的特性。
（2）外部应力型锡晶须产生和成长的机理外部应力型锡晶须的特征是众所周知的，即由加在Sn系镀膜上过大的外部应力造成的，它导致锡晶须明显快速地成长。
无铅纯锡电镀中的若干问题
剂 ,加速二价锡的氧化 ,加速镀液的混浊 。催化性杂 质的影响见表 2。
表 2 催化性杂质的影响
c (催化性物质 ) /
( g·L - 1 )
4. 0
0. 8
0. 2
0
变黄或混浊时间 t/ h (50 ℃)
22
41
30天
14 黄 ,微混 稍黄 稍黄 ,澄清
HE Yan - feng1, 2 , SUN J iang - yan2 , ZHANG Dan2 ( 1. Changchun Un iversity of Technology, Changchun 130012, Ch ina; 2. Shangha i S inyang Electron ics Chem ica ls Co. , L td, Shangha i 201803, Ch ina )
关键词 :无铅 ;纯锡电镀 ;锡晶须 ;变色 ;镀液混浊 中图分类号 : TN 60 TQ 153 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3474 (2007) 01 - 0020 - 05
Som e Problem s in L ead - free Pure T in Pla ting Process
22
电 子 工 艺 技 术 第 28卷第 1期
纯水加喷淋对控制变色有很大作用 。定期更新中和 液 。采用适当的后处理液 。 1. 3. 2 控制变紫的方法 1. 3. 2. 1 引入阻挡层
在铜基材与锡镀层之间增加一层 N i或 N i - P 层 。阻挡基材中的 Cu等金属扩散进入 Sn镀层中 。 加快处于熔融状态 Sn的固化 ,减少熔融态 Sn在空 气中的氧化 。 1. 3. 2. 2 后处理液
无铅锡条的性能特点及注意事项
无铅锡条的性能特点及注意事项
无铅锡条采用高标准工艺流程生产，能有效地加入抗氧化性能，使用过程中锡渣少，同时由于产品本身不含危害物质，对环境无污染等,无铅焊锡条是Sn(锡)、Cu(铜)的共晶合金,共晶温度为227℃,比传统的Sn/Pb钎料高出34℃。
无铅焊锡条主要具有以下性能：强度高，具有良好的力学性能和焊点可靠性对杂质的敏感性低，性能稳定符合欧盟指令要求适合各种焊接工艺，能广泛应用于各种铜管、铜元器件的焊接。
无铅锡条使用注意事项：
1、锡条熔点：锡条的熔点与作业温度相关，这是由合金成分本身所决定的。
如：常用的锡铜合金的熔点为227度，作业温度一般在270-300之间，而3.0银无铅锡条的熔点为217度，作业温度一般在260-280之间。
2、焊锡炉：一定要使用无铅环保焊锡炉，不能与有铅炉混用。
3、无铅助焊剂：无铅锡条要配合无铅助焊剂同时使用。
无铅助焊剂要求要能耐得住高温条件，活性要好，要免清洗型的无铅助焊剂。
4、液面高度：焊锡炉熔锡后要保持一定液面的高度，锡槽里面不能太少锡，必要时需往锡槽加入无铅锡条。
无铅喷锡优缺点
降低废弃物处理成本
无铅喷锡材料在使用后可以回收再利 用，降低了废弃物处理成本。
安全性
减少火灾风险
无铅喷锡材料在高温下不易燃烧，降低了的有害气体较少， 提高了生产安全。
符合安全标准
无铅喷锡材料符合相关安全标准和规范，确保了 生产和使用过程中的安全性。
新材料和新技术的应用
研究和开发新的无铅喷锡材料，探索新的加工技术，以满足不断变 化的市场需求。
环保法规推动
严格限制铅的使用
随着全球环保意识的提高，各国政府 纷纷出台严格的环保法规，限制或禁 止在电子产品中使用的铅含量，推动 了无铅喷锡技术的发展和应用。
绿色生产的需求
消费者对环保和健康的要求越来越高 ，促使企业更加注重产品的环保性能 ，采用无铅喷锡技术成为电子制造行 业的必然趋势。
提高操作人员技能水平，提升产品质量
培训和教育
加强对操作人员的培训和教育，提高他们的技能水平和环保意识，确保无铅喷锡工艺的正确实施和产 品质量。
质量管理体系的建立和完善
建立和完善质量管理体系，对无铅喷锡的生产过程进行全面监控和管理，确保产品质量的稳定性和可 靠性。
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THANKS
市场接受度提高
市场需求增长
随着电子产品的广泛应用，市场 对无铅喷锡技术的需求不断增长 ，推动了该技术的普及和应用。
成本降低
随着技术的进步和规模化生产， 无铅喷锡技术的成本不断降低， 使得更多的企业能够采用该技术 ，提高了市场接受度。
05 无铅喷锡的未来展望
技术进步带来更广阔的应用前景
1 2
不断改进的工艺技术
加工难度大
无铅喷锡的熔点较高，加工温度范围 较窄，对加工设备的性能和操作要求 较高，加工难度较大。
无铅焊接之隐忧焊点空洞、焊环浮裂(起翘)、引脚锡须
毫 ｐ ｈ ｗｉｏｒ ｎ ｗｃ． ｐ ．．ｃ ｃｃ ｌ ｐｒ ｎ
Ｅ ｍａ１ ｉ ＠ｃｐ．ｏ ．ｎ — ＿ｃ ｃ ．ｃｃ ｒ ｃ ．ｐ ｎ
Ｔ Ｃ 技术顾问 白蓉生 ＰＡ
一
、
导 论
图 １左为铜焊 盘承受有 铅共熔 焊料 时， ． 形成
六铜五锡 ・ ， 良性的 ＩＣ 是强固焊点 的必须 Ｍ ， ２ｏ ．． 全球 电子业将正 式进入无铅焊接 时 球状 ” ｏ６ １ ７ 右为电镀镍表面承受 Ｓ Ｃ ０ 无铅焊料时， Ａ ３５ 代， 除军用与某些 已豁免之大型机组产 品外 ， 其他 前提 。 Ｉ 三镍四锡 ” 的良性 ＩＣ。 Ｍ 但请注 所有商业电子 品，均将正 式告 别品质与可靠度部 已形成不太强劲 ｌ 长条状 ” ” 或 棒状 ” 三银 ” 无 可取 代 的锡 铅 共 熔 （ ｕ ｅ ｔ ｏ ｐ ｓ ｉ 意无铅焊点中会出现 ” Ｅ ｔ ｃｉ ｃ ｍ ｏ ｉｏ ｃ ｔｎ 锡” 的结晶共化物。通常在高温之瞬间， 检讨各 Ｓ ６ ／Ｐ ３ ） ｎ ３ ｂ７ 焊料 。往后 的各 种封装 组装焊 接所 若设定镍 为 ｌ 则 ， 铜 用到 的无铅焊料， 其量产的易操作性 、 接完工品 金属对液态 锡的溶入 速度时 ， 焊
也从基材上翘起 ， 极少在有铅焊接中发生过。至于 锡须则几乎 已成为高纯度镀锡 与焊锡难 以避免的
宿命，本文将针对此三项 与焊接有关 的缺 陷加以 探讨 ， 期能在排解积较小， 而且又是 利用 电镀镍为承接基地，故其介面在后续使用中
都 是 出自 Ａｇ Ｓｎ结 晶近 旁 。 ３ 而 出自 ＳＡＣ 所 形 成 的焊 点 ， 了要 使 其 结 晶 为 细 腻 与 强 度更 好 起 见 ，必须 要在 通 过 峰 温 后 迅速 加 以 降 温冷 却 （ ℃ ／Ｓｅ ， 不 再 是 ３Ｃ／Ｓｅ ） ６ ｃ而 ￣ ｃ 如 此 一 来 势必 造 成有 机 物 逸 出 的不 易 ，进 而 带 来
无铅电子元器件的锡须风险评估与对策分析
Ｉ 沉积设 训
内应 力 衬 底 材料 摹 底
能造成桥接短路。 ｄ ）真空金属蒸汽电弧
．
口
｝ ’
ｌ
～ 二Βιβλιοθήκη 在真空 （ 或低气压）条件下 ，当锡须 传送较大的电流 （ 几个安培） 或 电压 （ 大于 ｌ ）时 ，锡 ２Ｖ 须将蒸发成离子而产生 电弧
图 ２锡 须 生 长 机 理
放 电 ，传送 电流可 高达 ２０ ０ Ａ 。电弧依靠 镀层 表面 的锡
来维持 ，直到消耗完毕或停
９
１ ０ １ １
Ｓ— ｎ ｎＭ
ｓ— ｂ ｘ ｎｓ— Ｓ— Ｃ ｎＡ ｕ
仅１ 个研究报告
有严重的 晶须倾 向
少量 观测数据 薄膜 电容与高温焊料的应 用 极 少数 据 一个未公开 的现场应用记 录 严重的晶须倾 向
该机制认为扩散运动产生 的位错是 晶须 生长的源头。晶须邻近区域的表面的氧化过 程而产生反 向表面张力 ，降低表面 自由能 ， 为其生长提供驱动力 。有研究得 出这样 的结
镀 层 的 电镀 化 学工 艺 、镀 层 特性 、 基 片特 性 、外 部 应 力 、组 装 工 艺
以及存储环境 条件 （ 见图 ３ 。其 ）
图 １ ｎ Ｘ合 金 晶须 的 Ｓ Ｍ 图 Ｓ — Ｅ
中 ．电镀 条件 、镀层厚度 、基体 材料 、晶粒结构以及存储环境条件尤为敏感 ，对锡
出现 大 量 晶须
该机制认为锡原子趋向于从高应力区运
动 向低 应 力 区 ．从 而形 成 晶须 生 长 的压 应力
梯度 。晶须从 表 面氧化层 薄弱 的破 裂处 长
出 ，局部 压应 力 得 到 释放 。例 如 ：Ｃ ６ｎ 金 ｕ Ｓ
属间化合物 （ Ｃ Ｉ ）的形成 ，是 Ｃ ／ 镀层结 Ｍ ｕｎ Ｓ
无铅焊锡报告范文
无铅焊锡报告范文一、引言无铅焊锡是一种替代有害铅锡合金的环保焊接材料。
随着环保意识的提高和相关法规的实施，无铅焊锡在电子制造业中的应用越来越广泛。
本报告将对无铅焊锡进行综合介绍，并分析其优点和局限性。
二、无铅焊锡的定义和特点无铅焊锡是一种以锡为基本成分，不含铅元素的焊接材料。
其特点如下：1.环保：不含有害的铅元素，能够有效减少对环境的污染。
2.健康：无铅成分不会对人体健康产生负面影响，保护操作人员的身体健康。
3.物理性能：无铅焊锡具备良好的物理性能，如低熔点、良好的可塑性和导热性能等，适用于各种类型的焊接工艺。
三、无铅焊锡的应用领域无铅焊锡广泛应用于电子制造业的各个环节，包括以下方面：1.电子元器件制造：无铅焊锡可以用于电子元器件的表面贴装、通过孔(PTH)连接等工艺。
2.电子产品组装：无铅焊锡可用于电子产品的组装和互连部分。
3.电子维修：无铅焊锡也适用于电子产品的维修和改装过程中的焊接作业。
四、无铅焊锡的优点1.环保：无铅焊锡不含有害的铅元素，对环境的污染较小，符合现代环保要求。
2.健康：无铅焊锡不会对人体健康产生负面影响，降低了操作人员的健康风险。
3.可靠性：无铅焊锡具备良好的焊接性能和持久性能，保证焊接连接的可靠性。
4.成本：虽然无铅焊锡的生产成本较高，但其应用过程中可以减少工艺步骤和减少废品率，从长远来看可以降低成本。
五、无铅焊锡的局限性1.焊接温度：与传统铅锡焊锡相比，无铅焊锡的熔点较高，需要采用更高的焊接温度。
这对一些敏感的电子元器件来说可能会有损害风险。
2.力学性能：由于无铅焊锡的物理性能与传统锡铅焊锡有所不同，焊接连接的力学性能可能存在一定的变化。
3.还原性：无铅焊锡在还原性方面较差，焊接过程中需要采用合适的气氛保护。
4.维修和再制造：由于无铅焊锡的使用要求较高，维修和再制造过程中需要更加专业的技术和设备支持。
六、结论无铅焊锡作为一种环保焊接材料，在电子制造业中的应用前景广阔。
尽管其具有许多优点，如环保、健康和可靠性等，但也存在一些局限性，如焊接温度、力学性能和还原性等。
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Technology on Components & PCB for Lead-free Process
锡须风险
1பைடு நூலகம்
1.5.5 锡须风险
锡须的由来
Leading Component Finishes主要的无铅可焊性涂层
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SEM检查锡须时注意与枝晶的区别（1）
39
SEM检查锡须时注意与枝晶的区别（2）
40
34
1.5.5.6 锡須评价使用方法(1)
JEDEC STANDARD JESD22A121 Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloy Surface Finishes
28
29
1.5.5.2 锡須的基本结构
30
1.5.5.3 锡须产生的机理
Tin Whisker Mechanisms
(1) The diffusion of Cu into Sn and the formation of Cu6Sn5 can generate compressive stress in the Sn layer. (2) The thermal loads. (3) The mechanical loads. (4) The shock and vibration loads. (5) The self-diffusion of Sn along Sn grain boundaries to the root of a whisker will supply more Sn atoms to push the Sn whisker upward (dislocation loop climbing effect on the grain boundaries). (6) SnOx layer with weak spots
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1.5.5.4 锡须生长过程
Nodule Pictures Taken Periodically (x1700)
32
1.5.5.5如何降低锡須造成的可靠性风险？
1. 镀大结晶颗粒的matte-锡以减低锡须生长速率 2. 镀厚锡，最好》10um,最少＝8um 3. 回流或再熔化一次锡镀层，以释放镀层中的压缩应力 4. 使用镍阻挡层，阻止铜扩散入锡层形成锡铜IMC 5. 使用合金镀层（如Sn－Cu/Bi） 6. 采用退火工艺（150℃×3h） 7. 锡表面形成较厚的SnO，但不能太厚以免润湿不良
36
1.5.5.6 锡須评价使用方法(3)
Intel: Whisker growth not to exceed 50 microns (2 mils) at any time during following tests 1. Temperature Cycling (-55 to 85C): -55 +0, -10°C to 85 +10, -0°C air to air temperature cycle per JEDEC Temperature Cycling Standard No. 22A104, Test condition A, soak mode 3(10 minutes), typically 3 cycles/hour Readouts every 500 cycles (1000 cycles minimum) 2. Temperature/Humidity Storage (60C/93%RH): 60 + 5 °C, 93 +2, -3 % RH Readouts at 3 weeks, 6 weeks, 13 weeks, 6 months, 1 year and annually there after (6 weeks minimum) 3. Ambient storage (~23C): Readouts at 3 weeks, 6 weeks, 13 weeks, 6 months, 1 year and annually there after (6 weeks minimum) 20 - 25 °C, ~30-80% RH
27
1.5.5.2 各种形态的锡须举例
Various Kinds of Tin Whiskers
For Fine Pitch Leaded Components Tin Whiskers May Short Circuits!
PTH Leaded Components: (e.g., PGA) Sn (either plate or dip) SMT Leaded Components: (e.g., PQFP) Matte-Sn (for short life cycle applications) Matte-Sn with Ni barrier underlayer* Solder Balled Components: (e.g., PBGA) Sn4wt%AgCu Discrete Components: (e.g., chip resistor) Matte-Sn
26
1.5.5.1 纯锡镀层的主要问题
锡须的产生与锡须特征 1. 纯锡单晶，最长可达>10mm 2. 典型大小：1～3微米×300微米 3. 锡须的主要形状： Filament/Nodule/Column/Hillock 4. 危险：可导致将来短路的可靠性问题
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样品的数量与仪器要求
Test T/C 60C/93%RH 23C Aging
Num of units Num of lots Total Units 3 3 3 3 3 3 9 9 9
Equipment Needed: An air to air temperature cycling equipment capable of cycling from –55(+0,-10)°C to +85(+10 –0) °C A temperature humidity chamber capable of 60+5°C, 93 + 2, -3 %RH Capability to store in ambient conditions (20 -25°C, ~30-80% RH) Scanning Electron Microscope (SEM) Whisker Inspection: 3 leads per device
35
1.5.5.6 锡須评价使用方法(2)
Sony Technical Standard SS-00245-8(10) [Tin Whisker evaluation] 1)High Temperature/Humidity Test: 85oC , 85% RH for 500 hrs 2)Thermal Cycling Test: -35oC for 30min to 125oC for 30min 500 cycles Notes: No Bias Voltage and heat treatment Evaluation criteria:Whisker formation 50 um or less
33
对于高可靠性要求的细间距的SMT器件的方法
10µm
1µm
The stress in the Sn-layer due to the formation of the Ni3Sn4 IMC (inter-Metallic Compound) is in tension