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無鉛錫須——化學(xué)沉錫板錫須生長機(jī)理及特性研究（友聯(lián)鑫電子）
發(fā)布時(shí)間：2019-02-28 閱讀量：5295
摘要：錫須是化學(xué)沉錫表面處理應(yīng)用推廣遇到的最大阻礙，錫須的存在嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的可靠性。文章重點(diǎn)對(duì)錫須的生長機(jī)理進(jìn)行了分析，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)理進(jìn)一步驗(yàn)證。探究了化學(xué)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(xué)沉錫板錫須改善提供參考依據(jù)。
關(guān)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(chǎn)品開始轉(zhuǎn)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(xué)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(duì)比，化學(xué)沉錫對(duì)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(xué)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(xué)沉錫表面處理的訂單比例不斷攀高。
然而目前隨著PCB化學(xué)沉錫表面處理的推行，發(fā)現(xiàn)化學(xué)沉錫層自發(fā)生長錫須，為電子產(chǎn)品的可靠性埋下了致命風(fēng)險(xiǎn)。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(xì)長形狀的純錫的結(jié)晶，錫須的直徑通常為1~3μm；長度通常為1μm到1mm，最長可達(dá)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(fēng)險(xiǎn)，還可能影響信號(hào)的完整性傳輸，對(duì)產(chǎn)品整機(jī)的可靠性及性能帶來不利影響。因此面對(duì)化學(xué)沉錫板的錫須生長危害，迫切需要對(duì)錫須的機(jī)理、生長特性展開研究，從機(jī)理認(rèn)識(shí)角度規(guī)避錫須生長風(fēng)險(xiǎn)。
1 機(jī)理分析
目前關(guān)于錫須的形成機(jī)理存在較多的模型,其中較為普遍的是壓應(yīng)力生長機(jī)理模型[1]。Cu/Sn界面處由于“晶界擴(kuò)散”模式生長出不規(guī)則IMC，對(duì)Sn層產(chǎn)生壓應(yīng)力，由于Sn面氧化膜的包裹下，應(yīng)力產(chǎn)生積累，而從氧化膜的薄弱點(diǎn)“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(kuò)散”機(jī)理
晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的動(dòng)能，并且晶界處存在較多的缺陷(如空穴、位錯(cuò)等)，所以原子在晶界處的擴(kuò)散比在晶內(nèi)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(dòng)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(kuò)散的結(jié)果。在Cu與Sn的互擴(kuò)散中，一般晶界擴(kuò)散占主導(dǎo)，Cu原子易于向Sn晶界處擴(kuò)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(zhì)的相對(duì)原子質(zhì)量和密度計(jì)算可得，Cu 原子向 Sn 晶界中擴(kuò)散并形成Cu6Sn5時(shí)，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(shí)的體積變化將受到周圍母相的約束，從而產(chǎn)生彈性應(yīng)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(dǎo)致錫層內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力[2]。
如圖4，在晶界擴(kuò)散方式下生成的IMC（Cu6Sn5）對(duì)Sn層產(chǎn)生了水平和豎直方向的壓力應(yīng)力梯度，在應(yīng)力梯度下產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力足夠大時(shí)，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(dǎo)致錫須發(fā)生持續(xù)性生長[3]。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的
（1）通過觀察，確定錫須的生長方式及生長特性；
（2）驗(yàn)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(duì)錫須的影響；
2.2 實(shí)驗(yàn)板圖形設(shè)計(jì)
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2.3 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)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(xué)沉錫。
2.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
試驗(yàn)板關(guān)鍵參數(shù)：
2. 5 試驗(yàn)流程
開料→鉆孔→沉銅→板鍍→負(fù)片電鍍→外層圖形→外層蝕刻→化學(xué)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(jì)錫須生長數(shù)量。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 錫須萌生觀察
使用掃描電鏡對(duì)沉錫后的樣品進(jìn)行持續(xù)性觀察，監(jiān)控錫須萌生期錫面的微觀結(jié)構(gòu)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(diǎn)，受應(yīng)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(yīng)力生長機(jī)理，PCB主要鍍錫的導(dǎo)體有PTH孔、導(dǎo)體表面、導(dǎo)體側(cè)壁（平邊、圓邊）三種位置將具有不同的應(yīng)力作用模式，根據(jù)內(nèi)應(yīng)力理論對(duì)三種位置進(jìn)行受力分析，如圖7所示。
針對(duì)PCB不同位置受力位置進(jìn)行受力分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，PTH孔內(nèi)及孔口應(yīng)力最大、其次是導(dǎo)體表面、導(dǎo)體側(cè)壁。
觀察存放3個(gè)月的沉錫庫存板，在PCB基本組成位置：PTH孔、焊盤表面、導(dǎo)體邊角的錫須生長情況，結(jié)果如圖8所示。
小結(jié)：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(yīng)力集中的位置容易生長錫須；PTH孔、焊盤表面應(yīng)力較集中，積累較大，容易引發(fā)錫須的生長；邊角位置應(yīng)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(nèi)應(yīng)力大小決定了錫須生長幾率，應(yīng)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(jìn)行室溫存放（24.5℃，52%RH），以10day為周期，對(duì)試驗(yàn)板的錫須生長情況進(jìn)行觀察，如圖9。
對(duì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖10所示。
如圖10錫須的生長情況統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)板的錫須數(shù)量及長度隨著存放時(shí)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(shí)驗(yàn)室其它設(shè)計(jì)區(qū)域，最大長度可達(dá)到168μm（如圖9）；孔環(huán)及邊路邊角的錫須生長數(shù)量相對(duì)較少，但平均長度仍可達(dá)到50μm左右。
3.4 沉錫板IMC生長特性
使用化學(xué)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(jié)果如圖11所示。
小結(jié)：從不同時(shí)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(shí)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(kuò)散”方式形成，形狀為與Sn晶粒輪廓互補(bǔ)的“環(huán)形凸起”。
3.5 無鉛回流對(duì)錫須的影響
3.5.1 無鉛回流對(duì)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(nèi)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(chǔ)存過程已生長的錫須，在回流后對(duì)電路仍存在短路等不良風(fēng)險(xiǎn)。
3.5.2 沉錫板回流后錫須生長情況
對(duì)沉錫后的樣品進(jìn)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(jié)果如圖13。
如圖13的觀察結(jié)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(duì)于不回流的產(chǎn)品或1次回流產(chǎn)品仍將存在錫須生長的可靠性隱患。
5 總結(jié)
經(jīng)過上述分析以及化學(xué)沉錫板錫須生長的實(shí)驗(yàn)探究，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：
（1）Cu/Sn界面處IMC以晶界擴(kuò)散方式生長，引發(fā)Sn層產(chǎn)生了水平和豎直方向的壓力應(yīng)力梯度，在應(yīng)力梯度下產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，應(yīng)力集中點(diǎn)處錫面氧化膜破裂后，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生錫須，釋放應(yīng)力；
（2）化學(xué)沉錫PCB，表面導(dǎo)體的不同位置受應(yīng)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(yīng)力集中的位置容易生長錫須，PTH孔>焊盤表面>導(dǎo)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(nèi)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(chǔ)存過程已生長的錫須，在回流后對(duì)電路仍存在短路等不良風(fēng)險(xiǎn)；
（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(xué)沉錫板將不再產(chǎn)生錫須的生長。