作者：iNEMI锡晶须用户小组成员I. 执行概况iNEMI锡晶须用户小组由8家大型高可靠性电子组装的制造厂家组成。这几家公司年购置元器件达几百万美元，由这几家公司组成用户小组，就有关高可靠性电子应用领域的无铅表面涂覆材料提出一些建议，旨在使由于锡晶须产生故障的可能性降低到最低极限。iNEMI用户小组成员一致认为纯锡电镀在高可靠性应用中存在有风险，而采用成本合理的替代产品可降低这种风险。电子组装行业在解决锡晶须问题和测试方面所采用的方法的标准化工作中取得了长足的进步。在2005年和2006年出版发行的标准和相关出版物中重点论述了锡晶须测试、环境可接受要求和解决方案（JEDEC标准JESD22A121.01，测量锡和锡合金表面涂层上晶须生长和JESD201，锡和锡合金表面涂层的锡晶须敏感度的环境可接受要求和JEDEC/IPC焊点出版物JP002，当前锡晶须原理和解决方案指南）。用户小组完全支持并同意将这些文件作为解决方案中综合策略的一部分，锡晶须测试和镀覆工艺控制对于降低与锡晶须相关的故障的风险来说是很有必要的。本文件对该小组2003年6月出版发行和2005年5月修订的原报告进行了再次修订。该文件对用于不同用途的元器件涂层提出了建议，并根据用户小组成员自身的经验和可靠的数据给出了其最佳的评判。有关无铅组件涂层迁移的27条通用指南已用于这些建议的制订中。本文件不适用于关键应用领域，如像：航空领域。这些指南通常满足不了这些类型应用的需求。在制定JESD201和JP002过程中，用户小组与JEDEC和IPC密切合作。不过，锡晶须的问题仍没有得到解决，而且这个问题一直是威胁到产品可靠性的一个重要问题，成为人们时常谈论的热点话题。用户小组当前的目标是将重点放在这个问题上，并持续为用户和供货商提供指南，以便降低由锡晶须导致产品在功能或可靠性方面产生问题的可能性。通过将已知的解决方案与工艺控制和某些等级的测试结合起来可以达到这个效果。锡晶须的问题一直是电子产品可靠性的关键问题。每年使用的组件量达亿万个，但是，只要有一个缺陷就会产生一类问题。Ⅱ.背景说明在电镀非合金锡中形成锡晶须和锡晶须生长已有很长的历史了，锡晶须的形成和生长会使各种类型的电子设备产生可靠性的问题1。50多年来，在解决锡晶须问题中所采用的主要方法就是往镀锡液中添加铅（Pb）。法规限制在出口到欧盟和世界其它地区的电子产品中使用铅，因此，使得电子元器件的供货商将镀锡-铅（SnPb）中的Pb取消，只采用纯锡成分。这是最常用的方法，而且对于多数制造厂家来说是一种成本低廉的取消铅的方案。然而，对于高可靠性用户来说，由于镀覆纯锡和锡合金存在着形成锡晶须的趋向，纯锡方法存在可靠性方面的问题。 本报告给出了用于不同用途的适用的无铅涂覆材料的替代品。iNEMI成员根据个人的经验，结合有关锡晶须形成和生长方面的技术文献给出了他们的见解。用户小组在几个国际联合体的赞助下正在进行锡晶须形成和生长方面的研究工作，其工作内容包括iNEMI锡晶须仿真项目（iNEMI Tin Whisker Modeling Project）、锡晶须加速测试项目（iNEMI Tin Whisker Accelerated Test Project）和马里兰大学计算器辅助寿命循环工程“CALCE”小组（University of Maryland’s Computer Aided Life Cycle Engineering）（www.calce.umd.edu/lead-free/tin-whiskers/ ）。在此特别感谢NASA Goddard Space Center website （v/whisker/ ）就有关锡晶须问题的背景信息和研究提供的列表。 在过去的几年中，在了解锡晶须形成和基础原理方面取得了显著的进步。锡晶须的形成是由于锡膜中的压缩应力所致，通常，人们对这种说法是可以接受的2。这种应力源自诸多不同的渠道，包括金属间化合物形成、氧化作用和腐蚀、热循环或机械方面的因素。仍有许多因素需要我们去了解，以便对锡晶须形成和生长过程进行全面的描述。对锡晶须生长进行预测和描述的量化模型是不存在的。因此，根据解决方案和指南，在防止Sn膜和基体间产生压缩应力所获得的实验数据是有根据的，这些数据支持实际应用。除此之外，已制订了标准的测试条件和可接受标准。然而，相对于实际现场使用条件而言，这些标准的测试条件是可以加速的或者是不可以加速的，而且与使用环境和服务条件也没有直接联系。因此，断言镀锡工艺“无锡晶须”或保证使用寿命期限内不会出现锡晶须缺陷，此时，必须抱以怀疑的态度。用户小组特别鼓励对锡晶须的问题进行持续不断地研究，并制定出解决方案。Ⅲ. 向符合RoHS的涂料转移的通用指南出版界对于锡晶须形成和向无铅表面涂层材料转移的方案已有大量的最新信息报道。在决策之前，应对有效数据和替代产品有个全面的了解，这是合乎情理的。各公司需根据可靠性方面的风险和市场应用方面的成本效益对替代产品进行评估。应告知用户锡晶须实验相对于生长速率、潜伏期的时间和许多其它参数缺乏一致性。除非某些解决锡晶须指南得到iNEMI用户小组的支持。对于读者来说，了解本文中讨论的各种解决方案和技术是很重要的，不过，这些解决方案和技术对于排除锡晶须的问题并不是特别灵验，不应将其作为防止锡晶须的方法，只能作为降低锡晶须的方法。对于这些技术，在有效降低锡晶须的产生因素方面，如果在技术上有很大争议的话，某些用户就会考虑使用其它材料系列和这些材料的组合，因此，需要一些锡晶须测试数据的支持（作为后备方案）。特定用户和供货商必须对替代产品解决方案和/或锡须测试步骤达成一致意见。第四节中的表1给出了无铅涂层的优先级。A. 通用的解决方案（优先级）1. 非锡镀覆：应首先将镍-钯-金（或纯镍-钯）用于引线框架的镀覆。这种镀层在生产现场应用中具有较长的历史（1992-现在）。早期的可焊性问题已得到了解决。此外，业已证实，在多数环境下，NiPdAu不会出现锡晶须问题。iNEMI用户小组特别推荐将这种镀层用于多数引线框架，以便使锡晶须生长延迟。然而，用户应意识到模压化合物与像Pd和Au这样的贵金属材料的结合力不像铜那样好。因此，在与SnAgCu无铅组装类似的较高温度下，NiPdAu封装要获得MSL 1和2的性能是很难的。在高碳氢和硫气氛下，NiPdAu还可抑制加速测试中的腐蚀。在实际生产中并没有注意到这种腐蚀。2. 采用往Sn镀液中添加Pb的方法来缓解锡晶须的形成3。虽然，法规限制使用Pb，使得这种方法对于许多产品来说是行不通的，但是，有一些豁免产品和“不受法规限制的”产品仍可以使用SnPb涂层。这是50多年来解决锡晶须问题所采用的主要方法，且具有极好的现场应用史。iNEMI用户小组特别提出建议将SnPb镀层持续用于豁免产品的应用中。鼓励供货商为这些应用不断地制造涂覆了SnPb的元器件。3. 在镀锡层和铜（Cu）基底金属之间添加镍（Ni）底层，可缓解锡晶须的形成（这是用户小组提出的建议，这个建议是很关键的）。镀覆的底层可减轻锡膜中的压缩应力，其被认为是锡晶须生长的原因之一。镀镍层的厚度、孔隙度和延展性对于确保铜阻挡层的有效性也是极其重要的。即使在引线成形后，确保达到这些参数的相应值同样是很重要的。在随后的成形过程中或在实施其它操作过程中，如果镍层开裂或损坏的话，就说明这种解决方法无效4。类似地，控制锡浴的杂质，特别是铜，对于成功地制做底层是很重要的5。此外，在镍阻挡层上镀覆锡薄膜（达3μm）将会受益于NiSn金属间化合物形成的锡膜而产生的拉伸应力，从而局部补偿了由于各种其它渠道，如像：热循环，产生的压缩应力。4. 用户小组允许使用经24小时内的电镀，在150℃下达1小时的退火，并将其作为镀锡铜合金引线框架的一种通用的有效解决方案。自1962年以来，已将退火/热处理作为解决锡晶须的技术6。通常，某些作者认为退火会提高形成锡晶须的潜伏时间，不过，延迟时间完全不同，可以是几个月，乃至几年。与非退火部件比较，退火还会降低锡晶须长度，不过，这方面的数据是极少的。最近所获得的数据表明退火可以将金属间化合物形态由不规则的Cu6Sn5改变为较均匀的由Cu3Sn 和 Cu6Sn5构成的两层金属间化合物。由于结果的易变性，建议只有在有测试数据支持的情况下，才能够使用退火。还可参见第23条的说明。B. 其它适用的解决方案，非常用（大体上以优先级 见第四节中表1的优先级）5. 热浸锡是一种熔融锡浴工艺，并末广泛地应用于电子组件的引线框架结构中，不过，已用于像继电器这样的结构钢零件、连接器和器件中7。有证据说明，使用纯锡这种解决方法可能不会有效8。通常，用Sn-4%Ag 或 SnAgCu热浸则是一种有充分准备的解决方案9。用SnCu合金热浸可能会有效，也可能不会有效。在镀覆后将镀锡层浸渍，并将其作为一种解决方案时，由于元器件的几何形状的缘故，可能会出现某些端子区域没有覆盖的现象。这些区域产生锡晶须生长的可能性要比涂覆了涂料的区域可能性大。6. 镀覆后在短时间内在熔融的锡中镀覆以缓解锡晶须的形成10。熔融是一种回流操作，这种操作通常是将镀锡的表面浸渍于热油浴中来完成的。一些用户小组成员建议在具有良好的现场生产史的条件下，采用熔融锡的方法。7. 在有限的测试中，镀覆的SnAg （2-4% Ag）合金具有降低锡晶须生长的可能性。用户小组鼓励对这种涂层进行深入的研究，并将这种方法作为一种可能的锡晶须解决方案。8. 在往锡中添加2-4%比重的铋时，铋可能有助于抑制锡晶须的生长11，可以将这种方法作为一种适用的解决方案。用户应意识到与用SnPb焊接的SnPb涂层的引线框架比较，用于合金42引线框架上的SnBi涂层和用SnPb焊接的产品会降低焊点的疲劳寿命12。 用户可对规定的使用环境的可接受性进行评估。到目前为止，还没有发现有关低Bi含量的锡-铋（SnBi）合金涂层与共晶SnPb焊料形成的SnPbBi三元共晶合金方面的报道。有一种低熔点合金，其是在96℃的低熔点锡-铅-铋之间形成三元共晶合金。不过，当用SnPb进行焊接时，将少量（1-5%比重）的铋添加于锡涂料中，根据热力学原理，不可能形成三元共晶合金13。有一种三元SnPbBi包晶，从热力学的角度，适用于铋比重大于6%的组件涂层，这种包晶合金熔点为135℃。只要引线上的铋浓度小于6%，包晶就不会有问题。使用共晶锡铅焊料，将涂层中的铋含量控制在3-5%之间是很有必要的。这样的话，在未研究三元共晶合金的混合范围的情况下，用于抑制锡晶须形成的铋就足够了。除此之外，要求保持低含量的铋成分，以便保持成形引线的可焊性。C. 通常不应使用的涂层（没有特定的顺序）9. 业已证实，在多数情况下，银涂层不会出现晶须生长。不过，银枝晶会快速生长，或者是在某些情况下，在H2S中会产生银须（据发现在某些情况下，空气中含有SO2被污染的环境）14。此外，用户有时不使用银涂层是由于其潜在有电子迁移和可焊性储存寿命方面的问题。10. 当将铜添加到锡镀液中，并作为一种合金成分时，由于铜会提高晶须的形成和生长，所以，镀覆锡铜合金并不是满意的涂层15。参见第6条有关用于浸SnCu涂层的说明。11. 用户小组特别建议在没有镀覆铜或镍扩散阻挡层的情况下，不要在黄铜层上镀锡16。如果采用了镀覆铜底层的话，建议采用在铜上镀锡的其它解决方案。铜或镍扩散阻挡层的最小厚度为1.27μm。12. 一般来说，不提倡镀亮锡。不过，可能在一些特殊应用领域亮锡则是一种适用的方法。在没有镍阻挡层的情况下和在焊接后的元器件（IC、无源组件等）应用领域，不提倡镀亮锡。对于非焊接应用而言，最近的一些研究表明当使用Ni底层或新的碳含量较低的镀亮锡时，可能会抑制亮锡的锡晶须生长17。注意并不是所有的数据意见都一致18。提供这一信息，用户可对非可焊接应用领域的Ni阻挡层上镀亮锡的评估进行选择。在所有组件表面上的镍必须是连续的，且是无孔洞的。对于内有空穴的组件（例如；BNC连接器），确认镀镍层厚度和内表面的覆盖率是至关重要的。有史以来，认为镀亮锡的锡晶须生长比镀无光泽锡还要严重19。通常，亮锡的碳含量为0.8%或更高，在镀覆后，其压缩应力等级比无光泽锡要高。传统的无光泽锡的镀覆，其晶粒要比亮锡的大，且碳含量要比亮锡的低。然而，低含碳量和低应力的新型亮锡镀覆适合于商业应用。其碳含量基本与无光泽锡一样。然而，这是一种新开发出的技术，了解到这一点是很重要的，而且鼓励开展进一步的深入研究。对于促使晶须形成的因素，在晶粒尺寸和碳含量的作用方面存在着争议。每种因素都与镀锡中压缩应力有关。不论选择的是无光泽锡镀层，还是亮锡镀层，应实施锡晶须试验（根据JESD201的规定），以便评估镀锡的性能。晶粒结构（见指南14）和有关多次的锡膜应力等级的数据，对于评估这种涂层的适用性是很有用的。鼓励对这些新的低含碳量的亮锡进行更深入的研究。本文的目的是根据下表的内容确定无光泽锡和亮锡的参数：D. 深入研究所需的解决方案（无特定顺序）13. 建议在镀锡层和铜基底金属之间添加银（Ag）底层，并将其作为一种缓解晶须形成的方法，类似于上述的镍。不过，对于缓解晶须而言，有限的晶须测试数据支持Ag底层的有效性20。用户小组对于这种解决方案潜在的有效性予于认可，并鼓励对这种技术进行深入的研究。14. 锡涂层中的大量水平和倾斜颗粒边界（较理想的等轴晶粒结构）的非柱形晶粒结构通过降低由扩散（而不是晶须生长）产生的压缩应力可能会降低或排除晶须生长21。实验数据证实了这种解决方法仍是极有限度的。用户小组鼓励对这种技术进行深入的研究，并作为可能的晶须生长的解决方案。特别建议对采用这种技术实施的锡沉积的应力等级进行不时的跟踪，并确认不会时常产生压缩应力。15. 在有限的测试中镀覆铜基合金之前，在蚀刻深度为3-4μm的范围时，表面化学蚀刻说明锡晶须生长有可能会下降22。用户小组鼓励对这种技术进行深入的研究，并作为可能的晶须生长的解决方案。 参考数据 1. 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