“錫須”對(duì)于電子制造的某些方面來(lái)說(shuō)不是一個(gè)富有想象力的幻想術(shù)語(yǔ)。錫須是真實(shí)的。它們是從純錫表面發(fā)出的微觀導(dǎo)電纖維，它們對(duì)所有類型的電子產(chǎn)品都構(gòu)成了嚴(yán)重的問(wèn)題。這些晶須可以形成電氣路徑，從而影響目標(biāo)設(shè)備的運(yùn)行。本文討論了從電子設(shè)備中去除鉛引起的問(wèn)題，并描述了一些減輕錫須的技術(shù)。

介紹

本文討論了錫須：它們是什么，它們來(lái)自哪里，以及我們對(duì)它們的了解。討論涵蓋了從電子產(chǎn)品中去除鉛引起的問(wèn)題，其中最重要的是我們的主題錫須問(wèn)題。最后，提出了減輕錫須的方法。

問(wèn)題概述

簡(jiǎn)而言之，“錫須”對(duì)于電子制造的某些方面來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)富有想象力的幻想術(shù)語(yǔ)。錫須是真實(shí)的。它們是從純錫表面發(fā)出的微觀導(dǎo)電纖維，它們對(duì)所有類型的電子產(chǎn)品都構(gòu)成了嚴(yán)重的問(wèn)題。錫須并不是轉(zhuǎn)向無(wú)鉛電子產(chǎn)品后產(chǎn)生的新現(xiàn)象。事實(shí)上，它們最早是在 1940 年代撰寫(xiě)的論文中報(bào)道的。

鉛（化學(xué)符號(hào)Pb）已被有害物質(zhì)限制（RoHS）指令禁止。盡管RoHS起源于歐洲，但其指令現(xiàn)在幾乎影響了今天制造或計(jì)劃在不久的將來(lái)生產(chǎn)的每一件電子齒輪。連接器、無(wú)源和有源元件、開(kāi)關(guān)和繼電器現(xiàn)在都必須是無(wú)鉛的。

為什么要有如此嚴(yán)格的授權(quán)？這種動(dòng)力并非來(lái)自電子和半導(dǎo)體（IC），而是來(lái)自感知的公共安全。歐洲安全機(jī)構(gòu)確定有必要防止鉛進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)，因?yàn)樗且环N有害物質(zhì)。鉛被認(rèn)為是一種神經(jīng)毒素，已知會(huì)抑制血紅蛋白的產(chǎn)生并影響大腦發(fā)育。兒童顯然比成人面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)。奇妙的是，從油漆和汽油中去除鉛顯著改善了我們的環(huán)境，對(duì)兒童特別有益。

仔細(xì)看看罪魁禍?zhǔn)?/p>

人眼幾乎看不見(jiàn)錫須，比人的頭發(fā)細(xì)10到100倍。它們可以在電氣設(shè)備引線之間架橋相當(dāng)長(zhǎng)的距離，這樣做可以使導(dǎo)體短路。它們可以相當(dāng)迅速地增長(zhǎng);孵化時(shí)間可以從幾天到幾年不等，根據(jù)美國(guó)宇航局關(guān)于胡須的背景。 它們何時(shí)開(kāi)始生長(zhǎng)沒(méi)有固定的時(shí)間表。

當(dāng)晶須在兩個(gè)導(dǎo)體之間生長(zhǎng)時(shí)，晶須通常會(huì)“熔斷”（消失），從而產(chǎn)生瞬時(shí)短路。在某些情況下，它會(huì)形成導(dǎo)電路徑，在不正確的位置產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備的不當(dāng)操作。在極少數(shù)情況下，晶須不會(huì)像保險(xiǎn)絲一樣消失，而是可以形成能夠承載超過(guò) 200 安培電流的導(dǎo)電等離子體！

晶須還可能斷裂并與印刷電路板 （PCB） 走線和其他導(dǎo)電件接觸，從而干擾電信號(hào)。在光學(xué)系統(tǒng)中，它們可以破壞或減弱透射光;在MEMS中，它們會(huì)干擾預(yù)期的機(jī)械功能。

胡須是真實(shí)的，它們會(huì)引起真正的問(wèn)題。但它們也是隨機(jī)的。他們到底有多大的問(wèn)題？在過(guò)去的五年里，純鍍錫電子產(chǎn)品在現(xiàn)代社會(huì)中無(wú)處不在。這些電子系統(tǒng)是我們通信和金融系統(tǒng)、制造和運(yùn)輸系統(tǒng)的支柱，當(dāng)然還有我們的發(fā)電廠（核能和常規(guī)發(fā)電廠）。錫須在意想不到的地方產(chǎn)生了導(dǎo)電路徑和其他破壞。2005年，康涅狄格州美國(guó)磨石核電站的隨機(jī)“完全關(guān)閉”信號(hào)歸因于錫須。

由于純錫具有潛在的危險(xiǎn)和不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，因此目前尚未用于醫(yī)療設(shè)備。2014 年之前允許在外部醫(yī)療設(shè)備中使用鉛，在 2021 年之前允許在內(nèi)部醫(yī)療設(shè)備中使用鉛。

它們?nèi)绾我约盀槭裁瓷L(zhǎng)？

工業(yè)界并不真正知道是什么導(dǎo)致了錫須，我們也不真正了解它們是如何形成的。我們無(wú)法預(yù)測(cè)它們，只能說(shuō)胡須可能會(huì)在純錫上形成。用加速壽命測(cè)試來(lái)研究它們已被證明是沒(méi)有用的，因?yàn)樗鼈冊(cè)?a href="http://www.xsypw.cn/analog/" target="_blank">模擬環(huán)境中不會(huì)生長(zhǎng)得更快或更快。

因此，錫須會(huì)隨機(jī)生長(zhǎng)并干擾系統(tǒng)/子組件性能。你能做什么？要制定緩解策略，首先需要了解導(dǎo)致錫須的原因。不幸的是，對(duì)于它們是如何形成的，沒(méi)有公認(rèn)的解釋，但存在許多理論。

一些假設(shè)晶須是響應(yīng)鍍錫層內(nèi)的殘余應(yīng)力而形成的，并且是由鍍層的化學(xué)性質(zhì)引起的。他們指出，由明亮（小顆粒）電鍍工藝表面處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力容易產(chǎn)生晶須。然而，大顆粒飾面（啞光）也已知會(huì)長(zhǎng)出胡須。其他人則認(rèn)為，重結(jié)晶和異常晶粒生長(zhǎng)可能會(huì)影響晶格間距，導(dǎo)致晶須。

壓力可能來(lái)自許多地方，并在“鉛”世界中被接受。但這些相同的壓力似乎在純錫世界中引起了胡須。應(yīng)力來(lái)源包括外部活動(dòng)（如擰緊緊固件）產(chǎn)生的壓縮力;引線形成過(guò)程中可能發(fā)生的彎曲或拉伸;甚至在正常處理中產(chǎn)生的劃痕或劃痕。最后，引線框架基材和鍍錫材料之間看似微小的熱膨脹系數(shù)差異被認(rèn)為是導(dǎo)致晶須問(wèn)題的應(yīng)力的可能來(lái)源。1退火啞光錫似乎是減輕應(yīng)力的最成功的表面處理，因此經(jīng)常被組件公司用作無(wú)鉛表面處理。

這會(huì)給我們帶來(lái)什么？已經(jīng)進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，結(jié)果不一致。目前的共識(shí)是，增加應(yīng)力或促進(jìn)擴(kuò)散的影響傾向于誘導(dǎo)晶須形成。所以綜上所述，業(yè)界真的不知道是什么原因?qū)е洛a須的形成。

鉛真的是問(wèn)題嗎？

稍微改變一下節(jié)奏，從不同的角度考慮主要問(wèn)題。每年真正消耗多少鉛？根據(jù)國(guó)際鉛鋅研究小組的數(shù)據(jù)，2010年全球鉛的使用量從2009年的896.6萬(wàn)噸略有增加至959.5萬(wàn)噸。4（考慮到2009年經(jīng)濟(jì)放緩，這種增長(zhǎng)是可以理解的。其中80%的鉛使用量消耗在鉛酸電池中。另請(qǐng)注意，在RoHS指令之前，電子焊料僅消耗0.5%，IC電鍍僅消耗0.05%！

所有這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)告訴我們什么？2010年，鉛在所有應(yīng)用中的使用量約為210億磅。其中，電池消耗了168億磅，如果RoHS指令對(duì)電子產(chǎn)品不起作用，IC鉛表面處理將僅消耗約1050萬(wàn)磅。順便說(shuō)一下，鉛酸電池中的鉛仍然不受RoHS指令的約束。

回想一下，電子產(chǎn)品中鉛對(duì)環(huán)境的預(yù)期危害是RoHS立法行動(dòng)背后的推動(dòng)力。人們擔(dān)心鉛會(huì)成為地下水的污染物。但許多善意的人忽略了一個(gè)重要事實(shí)：元素鉛不溶于水。其他消息來(lái)源同意：“鉛不會(huì)在環(huán)境中分解。一旦鉛落到土壤上，它通常會(huì)粘在土壤顆粒上。當(dāng)在明火回收操作中燃燒時(shí)，人們擔(dān)心如果吸入鉛會(huì)產(chǎn)生有毒蒸氣。來(lái)自美國(guó)宇航局，事實(shí)是：

明火溫度約為1000°C，但鉛在1740°C沸騰。

因此，Pb的蒸氣壓可以忽略不計(jì)，Pb蒸氣中毒的可能性很小。

使用SnPb焊接的工人血液中的鉛含量不高。

最后，沒(méi)有證據(jù)表明電子產(chǎn)品中的鉛會(huì)帶來(lái)健康風(fēng)險(xiǎn)或造成環(huán)境危害。然而，許多提出的無(wú)鉛解決方案確實(shí)會(huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題，許多解決方案對(duì)環(huán)境的影響要嚴(yán)重得多。

無(wú)鉛電子產(chǎn)品選項(xiàng)

向無(wú)鉛產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變意味著電子行業(yè)必須開(kāi)發(fā)與這些焊料兼容的無(wú)鉛焊料和端子表面處理。嘗試了許多不同的無(wú)鉛合金和一些非常復(fù)雜的二元、三元和四元合金。這些合金價(jià)格昂貴且難以使用。此外，還研究了幾種錫銀合金，如錫-銀-銅、錫-銀-鉍、錫-銀-銅-鉍，以及各種其他組合。鉍-209具有輕微的放射性，因此它提出了自己的一系列問(wèn)題。轉(zhuǎn)換為無(wú)鉛電子產(chǎn)品存在許多嚴(yán)重的問(wèn)題，但我今天不會(huì)對(duì)所有這些問(wèn)題進(jìn)行抨擊。但是，有兩種解決方案值得一提。

純錫（Sn）價(jià)格低廉且易于獲得，沒(méi)有化學(xué)危險(xiǎn)，并且易于使用。與亮錫或小顆粒錫相比，當(dāng)今大多數(shù)無(wú)鉛端子表面處理都是退火啞光錫（也稱為大顆粒錫）。上面已經(jīng)介紹了純錫的已知和預(yù)期問(wèn)題：胡須。它們會(huì)隨著時(shí)間的推移而形成，隨機(jī)生長(zhǎng)，最終可能導(dǎo)致短路或更糟。胡須在地面上生長(zhǎng)相當(dāng)緩慢，但在高海拔地區(qū)生長(zhǎng)得更快。有一些緩解技術(shù)，我將暫時(shí)討論。

鎳鈀金（NiPdAu）是一種流行的無(wú)鉛飾面材料，使用越來(lái)越廣泛。Maxim Integrated目前提供超過(guò)5000種不同的零件號(hào)。它比純錫貴，需要高溫?zé)o鉛焊料。

在考慮組件的表面處理時(shí)，評(píng)估最終所需的可靠性與風(fēng)險(xiǎn)也很重要。在馬里蘭大學(xué)高級(jí)生命周期工程中心（CALCE）舉行的2010年錫須國(guó)際研討會(huì)上發(fā)表的工作將最終可靠性分為三類，并提出了不同鉛飾面的風(fēng)險(xiǎn)水平：7

I級(jí)：產(chǎn)品的預(yù)期現(xiàn)場(chǎng)壽命少于五年。

二級(jí)：產(chǎn)品需要非常高的可靠性;如果存在冗余或故障組件可以修復(fù)或更換，則故障可能是可以容忍的。

三級(jí)：產(chǎn)品必須超可靠;沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法來(lái)修理或更換必須具有較長(zhǎng)計(jì)劃使用壽命的組件/子組件。

制造問(wèn)題和意外

當(dāng)然，當(dāng)電子行業(yè)采取行動(dòng)消除鉛問(wèn)題時(shí)，就像錫須效應(yīng)一樣。盡管如此，也有一些完全的驚喜。

電子制造工程師知道，如果他們?cè)诮M裝中混合使用含鉛和無(wú)鉛零件，他們將不得不使用兩次通過(guò)焊錫機(jī)。是的，一個(gè)問(wèn)題，但并不奇怪。然而， 當(dāng)薄 PCB 在無(wú)鉛焊料所需的較高溫度下下垂時(shí)，他們感到驚訝.他們已經(jīng)承認(rèn)錫須的可能性，這仍然是一個(gè)主要問(wèn)題。但他們并不總是考慮更高的溫度通過(guò)產(chǎn)生的額外熱負(fù)荷和通過(guò)回流焊硬件的循環(huán)次數(shù)。

真正令人驚訝的是無(wú)鉛焊料在高振動(dòng)環(huán)境中的破裂。SnPb焊料不脆，但許多較新的無(wú)鉛選擇是。例如，飛機(jī)在從地球表面（可能+25°C至+40°C）移動(dòng)到30，000英尺（-60°C）時(shí)，具有許多振動(dòng)頻率和相當(dāng)快速的溫度循環(huán)。無(wú)鉛焊料會(huì)出現(xiàn)斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致電路中的間歇性接觸。可以肯定的是，這在電傳操縱飛機(jī)上不是一個(gè)好主意，是嗎？

最后，衛(wèi)星長(zhǎng)出胡須的速度非?？?。（回想一下，海拔越高，晶須形成得越快。因此，各個(gè)衛(wèi)星機(jī)構(gòu)現(xiàn)在要求引線的完成至少為3%的鉛。大多數(shù)IC制造商實(shí)際上提供更傳統(tǒng)的85/15 SnPb表面處理。

緩解，但不是消除

首先，我要指出一個(gè)顯而易見(jiàn)的事實(shí)：減緩不是消除。它只是嚴(yán)重程度的降低。錫須仍然會(huì)生長(zhǎng)。事實(shí)上，許多金屬，包括鋅、鎘、銦、銀、鋁、金，是的，甚至鉛，都會(huì)長(zhǎng)出晶須。但最具破壞性和最普遍的是錫須，可以長(zhǎng)到 10 毫米。

以下是一些降低錫須風(fēng)險(xiǎn)的建議：

不要使用純錫。這似乎很簡(jiǎn)單。相反，請(qǐng)使用鉛含量至少為3%的錫鉛合金。是的，甚至SnPb也被證明可以長(zhǎng)出胡須，但據(jù)觀察，它們比純錫須小得多。

不要依賴訂單文件。使用XRF來(lái)驗(yàn)證所有關(guān)鍵部件的光潔度。

用熱焊浸漬重新修飾純錫飾面零件。Maxim在其所有無(wú)鉛器件上均提供此項(xiàng)選件，所有這些器件均享有Maxim的完整保修。

使用某種類型的封裝或保形涂層。美國(guó)宇航局已經(jīng)表明，Arathane 5750（以前稱為Uralane 5750）在純錫表面上以2密耳至3密耳的標(biāo)稱厚度應(yīng)用時(shí)，可以有效防止錫須短路。

保形涂層的優(yōu)點(diǎn)

保形涂層， 顧名思義， 一種惰性材料的涂層， 可以保護(hù)電子電路板免受與錫須生長(zhǎng)相關(guān)的問(wèn)題： 短路， 等離子弧， 和碎屑.在定義保形涂層的要求時(shí)，請(qǐng)考慮以下幾點(diǎn)：

它必須減緩錫須的形成。我們承認(rèn)，在我們首先了解錫須是如何形成的之前，錫須是無(wú)法停止的。

它必須防止任何有核的錫須向外逸出。

它必須防止在保形涂層外部形成的晶須滲透。

它必須保護(hù)涂層電路板免受松散的晶須碎屑的影響.

多年來(lái)，波音、斯倫貝謝、洛克希德、雷神公司、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室、CALCE和美國(guó)宇航局等公司對(duì)許多類型的保形涂層進(jìn)行了研究。研究摘要7表2中顯示沒(méi)有保形涂層符合上述所有標(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)應(yīng)用足夠厚時(shí)，Arathane涂層似乎很有希望，并且保形涂層確實(shí)可以防止短褲的碎屑。最終，沒(méi)有涂層是100%有效的，晶須仍然會(huì)生長(zhǎng)。如果在操作時(shí)需要散熱的部件上使用保形涂層，則需要考慮熱效應(yīng)。如有必要，可能需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行降額。

結(jié)論

在考慮電子產(chǎn)品的表面處理材料時(shí)，SnPb解決方案仍然是最好的，因?yàn)楣I(yè)界在使用該材料方面擁有更多經(jīng)驗(yàn)。此外，SnPb已被證明沒(méi)有晶須問(wèn)題，并且在高振動(dòng)環(huán)境中具有很強(qiáng)的彈性。

NiPdAu是一種合理的替代品，因?yàn)樗脖蛔C明可以抵抗晶須的形成。然而，NiPdAu對(duì)高振動(dòng)環(huán)境的適用性仍在評(píng)估中。它的焊料是溫度較高的焊料，實(shí)際上可能比傳統(tǒng)的SnPb焊料延展性差。

當(dāng)使用含錫飾面時(shí)，保形涂層在某種程度上是有效的，也可能是合適的。上述任一非SnPb解決方案都會(huì)增加成本。NiPdAu表面處理在芯片鍵合和封裝之前電鍍到整個(gè)引線框架上。（相比之下，SnPb在塑料封裝后電鍍到引線框架上。雖然包含晶須，但保形涂層增加了加工步驟，可能的熱問(wèn)題，并且不能完全防止晶須形成。