锡须生长试验报告 模板
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。
微桥(锡须)深层次研究分析报告
Paste Reflow Vs. Hand Reworked 焊膏再流焊与手工返工
Paste Reflowed Hand Reworked
焊膏再流焊后
手工返工后
Short Circuit Fault Site 短路发生部位
The First Uncoated Failure Site 首个没有涂敷的缺陷
First Hypothesis Refuted 第一种假设被否定
Desoldering Braid 吸锡编带
Braid Strand 编带的股线
Fault Path 实际缺陷
The Fault Path Material Is Analyzed 缺陷的材质分析
• It was not feasible to chemically analyze the intact fault path material. The assembly was too large to fit into an SEM/EDS chamber, and too expensive to subject to a destructive excision. • 用化学方法对整个缺陷材质进行分析是不可行的。组件 又很大，无法放入SEM/EDS检查腔中，而进行破坏性分 析又过于昂贵 • The fault path material was excised with a precision scalpel. • 缺陷材料用一精密刀片被取下 • The material did not stretch like solder, but instead broke like glass. • 材料并不象焊料一样能够延展，而是象玻璃一样破碎
Jeff Kukelhan, BAE Systems Electronics, Intelligence, & Support Fort Wayne, Indiana
锡须 标准
锡须标准
锡须是一种从元器件和接头的锡镀层表面生长出来的细长形状的锡单晶，直径通常在0.3-10um之间，典型值为1-3um，长度在1-1000um之间，锡须有不同的形状，如针状、小丘状、柱状、花状、发散状等。
锡须的生成机理主要与热力学和电化学因素有关。
在热力学方面，锡须的形成是锡金属在一定温度下的自然生长过程。
在电化学方面，锡须的形成是锡金属在一定电位差下的电化学行为，当锡金属表面存在电位差时，会产生电化学腐蚀，从而形成锡须。
锡须的危害主要表现在电气短路、机械卡死、接触不良等方面。
如果这些导电的锡须长得太长，可能连到其他线路上，并导致电气短路；断裂后落在某些移动及光学器件之间可能产生弧光放电，烧坏电气元件等。
因此，针对锡须的生成和危害，可以采取以下预防措施：
1. 不要使用亮锡，最好使用雾锡。
2. 使用较厚的雾锡镀层（8-10um），以抑制应力的释放。
3. 电镀后24小时内退火（150℃/2hrs或180℃/lhrs），以减少锡层的应力。
4. 电镀后24小时内回流焊接，作用同退火。
5. 用N或Ag做阻挡层（1.3-2um），防止Cu扩散形成Cu6Sn5的IMC。
锡须检测与判定标准.
目 錄
錫須的定義及危害 錫須的形成機理 錫須的預防措施 錫須測試的方法 錫須測試的標准 案例分析 錫須測試的儀器_SEM簡單介紹
錫須定義及危害
定義：锡须是从元器件和接头的锡镀层表面生长出来的一種
細長形狀的錫單晶，直徑0.3-10um(典型1-3um)，長度 在1-1000um不等，錫須有不同的形狀，如針狀，小丘狀 ，柱狀，花狀，發散狀等，見圖1
生长机理
Cu6Sn5擠壓純錫晶格疆 界，純錫的晶界出現錫 須 FIB cross-sections of whiskers
錫須預防措施
預防措施
不要使用亮錫，最好使用霧錫 霧錫與亮錫的比較：
a.有機物或碳含量較亮錫少的多(亮錫約為霧錫的X20-100) b. 微晶顆粒較大1-5um(亮錫0.5-0.8um),大晶粒(>2um)鍍層有利 於降低晶須的生長.因為大晶粒較小晶粒間隙少，為Cu擴散提 供較少的邊界，大晶粒具有零值壓應力或較低壓應力 使用較厚的霧錫鍍層(8-10um),以抑制應力的釋放 電鍍後24小時內退火(150℃/2hrs或170℃/1hrs )，以減少錫層的應力 電鍍後24小時內回流焊接，作用同退火 用Ni或Ag做阻擋層(1.3-2um),防止Cu擴散形成Cu6Sn5的IMC
三種老化測試
分類 D TCT 測試標準 S -55°C to + 85°C -35°C to + 125°C 1000 cycles Ramp rate 20C/min, 1000 cycles Ramp rate 10 min 20C/min, 10 min 60°C/95% 1000 hours (IC Type: 4000 hours - FFC/FPC: 2000 hours) 85°C/85% 1000 hours (IC Type: 4000 hours - FFC/FPC: 2000 hours)
锡晶须生长机理研究的现状与问题
晶须的早期定义是以单晶的形式长成的一种纤维 材料，其直径很小，大约几百纳米到几十微米。早期 晶须曾被认为是一种理想的晶体 ，即晶须内原子有 序排列，没有晶体缺陷，因此其强度接近理论强度。 目前工程意义上的晶须，其概念比较宽泛，它主要是 一些短纤维状的材料，内部可能存在各种缺陷，如空 位、位错、晶界、孪晶等。 EVANS 曾对晶须做过一个狭义上的定义：晶须 是一种纤维状的单晶，有均匀的横截面积，内外结构
[10] [9] [7]
1 锡晶须的生长特点
1.1 锡晶须的生长形貌 锡晶须有多种生长形貌，这一现象反映锡晶须生 长过程中的影响因素比较复杂。目前已知的锡晶须的 横截面形状有三角形、星形、正方形、圆形、不规则 多边形等[13]。参考相关文献的 SEM 照片，锡晶须的 表面形貌也很丰富，最典型的是晶须表面带有纵向凹 槽，也有表面光滑的晶须，在一些晶须的表面还有横 向生长条纹(竹节纹)。有研究人员[14]认为，锡晶须形 态是由初始锡晶须核的形状决定的。图 1 所示为不同 特征锡晶须的形貌。从这里可以看到锡晶须的形貌有 柱状晶须、板条状晶须、弯折状晶须、树杈状晶须、 螺旋状晶须和花瓣状晶须。 1.2 锡晶须生长的几个阶段 锡晶须的生长过程一般可分 4 个阶段： 1) 孕育期 (诱导期)： 在这一阶段， 观察不到锡晶须的生长； 2) 发 芽期：这一阶段有少数位置上发现到晶须萌芽，由于 尺寸很小，光学显微镜不易观察，但在扫描电镜下可 以清楚地分辨出这些晶须萌芽。与周围的晶粒相比， 它有一个重要特点，即颜色比较浅，其原因目前还不 清楚；3) 快速生长阶段：晶须发芽后有一个快速生长 阶段，其长度从几微米增加到几十至几百微米。一般 认为锡晶须的生长主要是沿着低晶向指数进行，不过 意见并不统一。1966 年，ELLIS[15]报道的锡晶须生长
减轻镀锡表面的锡须生长
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）。
图1是这个模型的简化一维视图。
图1说明晶粒方向影响的一维视图。
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。
作为Whiskers对策 锡须测试
作为Whiskers对策，敝社「三元合金镀金导体」的开发理念1.Whiskers所谓Whiskers,是电镀皮膜表面发生的胡须状的结晶产生物. 它的直径是2微米，长度约2～3毫米左右生长。
Whiskers发生的主要原因, 是电镀处理后，残留在电镀部品中的应力(以下，余留应力)，使金属的分子被挤出，形成胡须状.那么,产生余留应力的主要原因, 我们可举以下①镀金上的杂质，②镀金内的杂质，③素材金属，镀金界面的杂质，④结晶构造，⑤镀金内部的应力(压缩应力，引张应力)等。
用于FFC锡镀金导体上，仅仅用热处理的方法来除去上述的余留应力的起因要素是不够全面的。
由于Connector的外部压力导致Whiskers的产生，敝社作为抑制这个由于外压而产生的Whiskers的手法，进行「三元合金镀金」的开发. 在实际试验中，我们已确认到其成果.并向各位介绍.2.在FFC导体上,Whiskers发生的途径-1.内部应力铜素材上生长的不均匀的Cu6Sn5化合物,在室温下沿着Sn镀金的粒界生长，并来自粒界的压缩应力使Whiskers生长(上述的主要原因的③、④)。
-2.外部应力由于Connector的接点给FFC导体表面施加外部压力.不但不均匀的Cu6Sn5化合物,在Sn镀金粒界上发生的压缩应力更加使之促进，而且Sn镀金内部的应力也发生变化，导致Whiskers 发生更被加速(上述的主要原因的②、⑤)。
-3.镀金厚度另外、Whiskers是由于上述的2－1、2－2原因所发生, 而且它的长度与镀金的厚度也有相关性.3.「三元合金镀金导体」的其效果敝社开发的三元合金，是由2层以上的复合镀金层构成，上层是Zn镀金，下层是以Sn为主, Zn，Cu，Ag，Bi组成的.首先，在导体的制造流程中被导入的热处理工序中，均匀2-1的不均Cu化合物，抑制Whiskers 的发生，再用硬度高的Zn镀金层,压住它的发生。
同时，硬的Zn层具有Connector的接点上产生的外压,不易传达到铜素材和镀金层的效果.基础镀金层是,由于Sn为主的基础上,添加了Zn，Cu，Ag，Bi.使Sn镀金内部的应力得到缓和.结果，Whiskers的发生能得到表图-1的成果。
压痕导致镀锡元件引线上的锡须形成
，
（ ａ ）锡焊盘 引脚 的储存器器件
（ 一个锡焊盘 的横截面 Ｂ ）
但 是 ，据报 道 ，非 电镀 锡表 面也
出现 ＿锡须 。很多原 因都会造成在涂 『
致 品须 的形成 ，如果是这样 ，晶须到 制作超微痕去测量最初锡须形成的涂 底在哪一个应力水平会成核 以及生长 覆层的硬度和弹性模量。
呢？
简介 ：
向无 铅焊 材料 的转 换 已经 引起 人
们对 于锡须现 象 的关注， 锡须现 象在 四十年代 首次报道 … 。但是很大程 度 上 ，我们对于锡须的晶核形成和生长
在这 篇 论文 中 ，我 们提 出压 痕 引起 晶须 形成 方 法和 应 力梯 度 的机 理 ， 个简单微压痕实验 ，用 以在镀 纯锡的元件引线上产生应 力梯度较 宽 的压应力，我们使用扫描 电镜 去探测
实验和有限元分析
超微压痕 这次研 究中使用的样 品是细间距 存储器 的镀纯锡 引线 （ 图１ａ） 如 （） 。镀 锡 线 ４合 金 基 材 和锡 的涂层 ，如 图 ２
【 要】 摘
由于无铅元件 引线涂层 用纯锡 ，锡 须的形成 正在 引起人们 的关注。我们很早 就得知：残余应 力是产生晶须的根 本原 因。一个基 本 问题 是如果残余应 力不是 由电镀 工艺或者 电镀后 冶金反应 引起 的话 ，它是否会 导致晶须的形成。 在这个试验 中，我们 在镀 纯锡元件 引线上面制作 微压痕 来引起应 力， 目的是研 究应 力 引起 的锡须形成。微 痕用于测 量锡涂层 的硬 度和弹性模量 ，在此处锡须开始生 长。我们使用扫描 电镜来研究压痕的变形机理 ， 观察在初始位置的晶 核的形成， 以及 晶须生长 。另外 ，我们运用有限元法从 理论上计算应变在压痕 的分布 。实验和理论计 算结果表示晶须 是在某一应 力水平形成的。这个结论表示 ，可能存在某一临界应 力决定晶须的形成。我们相信：应力水平和晶须生 长形成之 间存在 着定量的联 系，将导致纯锡在 电子行业应用 突破风 险和可靠性评估并使无铅 平稳过渡。
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錫鬚生長試驗報告
一﹑試驗目的﹕
檢驗產品在試驗后是否有錫鬚產生﹐以確認產品的可靠性。
二﹑試驗樣品﹕
DIP產品
三﹑試驗樣品周期﹕
周期為﹕2028W
四﹑試驗樣品數量﹕
5PCS
五﹑試驗材料﹕
錫材(100%BAR)
六﹑試驗項目及條件﹕
1﹑高溫試驗﹕溫度﹕125±2℃﹐時間﹕1000小時參照(GB2423.2-89)
2﹑恆定濕熱試驗﹕溫度﹕85℃±2℃﹐濕度﹕85%±2%RH﹐時間﹕1000小時參照(GB2423.3-93) 3﹑熱沖擊試驗﹕最低溫度﹕-45℃最高溫度﹕85℃﹐保持時間﹕10分鐘﹐循環次數﹕1000次參照(GB2423.22-87)
七﹑試驗設備﹕
1﹑高溫試驗﹕高溫箱(PHH-101)
2﹑恆定濕熱試驗﹕高低溫交變潮濕試驗箱(ESL-04AGP)
3﹑熱沖擊試驗﹕溫試沖擊試驗箱(TSG-70H-W)
4﹑影像式精密測繪儀18-230倍
八﹑檢驗項目﹕
1﹑試驗前用影像式精密測繪儀18-230倍觀察焊點
2﹑試驗后用影像式精密測繪儀18-230倍觀察焊點
九﹑檢驗環境要求及標准﹕
1﹑環境要求﹕溫度﹕15~~30度﹔濕度45~~45%RH,
2﹑錫鬚標准﹕用影像式精密測繪儀18-230倍觀察焊點錫鬚小于600u"(約為最小PIN距1.27mm 的1/2)
十﹑試驗前后圖片如附件﹕
用影像式精密測繪儀18-230倍觀察焊點無錫錫鬚產生
DIP產品高溫試驗前﹑高溫試驗后無錫鬚產生
DIP產品恆定濕熱試驗試驗前﹑定濕熱試驗試驗后無錫鬚產生
十一﹑試驗結論﹕
合格
DIP產品溫度沖擊試驗前﹑溫度沖擊試驗后無錫鬚產生。