电子封装中的锡须现象及其控制策略

锡须（Tin whiskers）是在纯锡（Sn）或含锡合金表面自发形成的细长、针状的锡单晶。这些锡须通常只有几个微米的直径，但长度可以长达数毫米甚至超过10毫米，从而可能引发严重的可靠性问题。以下是关于锡须生长机制、影响因素以及抑制措施的综合解释：

锡须生长机制

1.驱动力：锡须生长的驱动力
主要来源于Sn和Cu之间在室温下反应生成的Cu₆Sn₅金属间化合物。这种反应在Sn内部产生压应力。

2.压应力释放：由于Sn的室温均匀化温度较高，Sn原子沿晶界扩散较快。压应力通过原子扩散和重新排列来释放，导致垂直于应力方向的Sn原子层迁移，沿着晶界向锡须根部扩展，促使锡须生长。

3.自发过程：只要存在自由的Sn和Cu原子，锡须生长就会持续进行，是一个自发过程。

图2笛状晶须和呈尖锐角度完全的晶须

影响锡须生长的主要因素

1.晶粒取向和尺寸：柱状晶和单晶柱状晶更容易导致锡须生长，而细小晶粒也更容易产生锡须。

2.镀层厚度：2~3μm厚的涂层在高应力下发生锡须的可能性最大。

3.镀层下材料：Ni作为底衬材料时锡须生长倾向小，而Cu作为底衬材料时锡须生长倾向大。

4.温度和湿度：锡须的增长取决于温度与湿度，低温低湿条件下锡须生长的可能性较小。

5.材料纯度：纯锡表面最容易使锡须增长。

抑制锡须生长的措施

1.合金化：在镀槽中加入合金元素如Bi或Ag，可以有效防止锡须生长，但需注意合金加工性和成本问题。

2.扩散阻碍层：在Sn和Cu之间添加一扩散阻碍层，如电镀一薄层Ni，可以减缓Sn和Cu之间的反应，从而抑制锡须生长。

3.表面预处理：在Cu基体或引线框架表面预先电镀NiPdAu等，也可以有效地抑制锡须生长。

4.优化工艺参数：控制焊接温度尽可能低，湿度尽可能小，以减少锡须生长的可能性。

图3纯Sn涂层上短晶须的SEM照片

表面氧化物对锡须生长的影响

1.必要条件：只有会产生表面氧化膜的金属才会出现锡须生长。

2.氧化膜厚度：表面氧化膜太厚会阻止锡须生长，而太薄则有利于锡须生长。

3.氧化膜不连续性：氧化膜的不连续性为锡须生长提供了通道。

4.锡须形态：表面氧化膜的存在阻止了锡须向侧面长大，保持了锡须的均匀横截面。

总之，锡须生长是一个复杂的过程，涉及多个因素。通过深入理解锡须生长机制并采取相应的抑制措施，可以有效地减少锡须对电子器件可靠性的影响。