电镀锡里晶须的消除

作者：GEORGE MILAD

欢迎访问e展厅 展厅 3 电子工业设备展厅 电路板生产设备, 分板机, 贴片机, 波峰焊, 回流焊, ... 由于RoHS的执行持续影响着整个行业，锡和锡合金依然是代替锡/铅的第一选择。目前无铅焊接和LF焊接在行业中的实行情况都保持良好。对于LF焊料，可以如此理解，比如说： SAC合金类别和锡/铜无铅热风整平（HASL）。另外也可以延伸理解为金属间化合物的类型（IMC）的形成，传输，以及焊点形成的完整性和可靠性。由于降低回流温度或降低IMC传输可以使焊点可靠性更强并且可以形成更广泛的组件窗口，生产出可以达到这些要求的更好的产品是需要一个持续性的尝试。其中一些尝试就包括目前在LF合金当中使用少量的掺杂剂。 至于在表面抛光方面，锡铅的更换也导致了更大的挑战。作为一个明显的替代，组件元件和连接器涂覆层都已经转换为锡。锡很容易使用，并且相当经济节能以及软焊性强。锡的性能就跟焊接表面一样好。然而，没有经过焊接的元件的任何部分或者是连接器涂覆层都有一个容易形成锡晶须的倾向。淀积物的内应力加上晶界的IMC形成，还有淀积物的外应力都被认为会形成晶须。 在锡晶须的“缓解”这一方面，我们已经投入了大量的时间与精力。我们有一系列的方法来确定锡的涂覆层到锡晶须的习性，以及如何评估的建议。这篇文章正是描述了如何去除晶须形成的成功尝试。 此文章介绍了两种可以成功去除晶须形成的方法。这两种方法都可以消除IMC形成与电镀锡固有结构相互作用下产生的压力。第一种是通过修改衬底表面来控制厚度的增长以及IMC的传输方向。第二种方法是修改大型柱状锡镀层的晶体结构，模仿锡铅钎料的细小等轴结构。在锡沉淀前，可以透过微粗糙化铜床层来实现控制IMC的厚度。而晶体结构的修改则可以通过使用特定的有机添加剂来破坏柱状生产并且生成较小的等轴晶。 在大多数的电子元件当中，电镀纯锡与锡合金都被用来作为锡-铅的替代品。而这些替代品都会产生锡须而导致这些元件的短路。在铜以及铜合金的锡增量的情况中，导致锡须形成的主要原因是应压力。而这种压力主要是在周围环境下铜锡IMC不规则生长所造成的。 众所周知，锡须相当容易铜上的电镀锡镀层上形成，并且不易在电镀锡镀层上观察到。锡镀层与锡铅镀层在晶体结构上是截然不同的，而晶体结构在晶须形成的这个问题上是产生直接的影响的。一个有修改过晶体结构的锡镀层（类似于锡铅镀层）是可以通过消除压力和使压力离开原位来防止晶须的形成。正如图1所示，沿着大颗粒柱状锡沉淀物经过的压力，正是导致锡须出现的主要原因。压力可以是来自内部或外部的（见图2）。内部压力的主要来源归因于在环境条件下随着时间的推移（30℃， 在60%RH情况下长达4,000个小时）IMC厚度产生非均匀的增加。另一种产生内应力的情况是长时间暴露在高温与高湿度之下（55℃，在85%RH情况下长达4,000小时）从而产生的氧化或腐蚀。另外，由于不匹配的CTE（热系数扩展）而生成的热循环（-55℃至85℃，1,500个周期）也会诱发内应力。后两种形式通常会在控制性实验当中用来诱导内应力。外应力通常也用来诱发晶须生成。其中一个例子是这种压力是透过压力配合连接器诱发的。 实验与结果 A铜基板的修改 关于在电镀前铜基底的形态有人进行了一项研究。在电镀锡镀层后晶须的形成这个问题上，研究人员评估了一系列粗糙度不同的基板。粗糙度是通过化学蚀刻步骤来实现控制的。平均粗糙度（“Ra”）会在0.13～0.47微米之间变化。如图4所示，与0.13祄 Ra相比之下，0.47祄 Ra具有一个更大的表面积。晶须的倾向评估如下： 测试媒介： 测试媒介——CDA19400( 铜2.3Fe-0.03P-0.12Zn）引线框架（见图3）。 镀锡 电镀槽是以MSA（Measurement Systems Analysis测量系统分析）为基准的雾锡。电镀是在10A/dm2电流密度下进行。电镀时间的变化会产生一个3微米和10微米厚的层状沉积。前者是为了晶须的短期评估，后者是典型的引线框架电镀，用于长期评估。 方法 使用测试媒介进行化学微粗糙化以产生一组特定的Ra值（图4）。图中显示了以Ra微米测量的不同程度微粗糙化的扫描电子显微图。然后将样品通过一个标准的镀覆过程中运行，如在图5中概述。然后将样品在受控制的环境条件下（30℃/60％RH）中长时间（1,000个小时）储存。最后在不同的时间间隔检验样品对晶须形成的影响。 “晶须”的定义 晶须是指一个长度大于10祄并且纵横比（长度/直径）大于2的突起部分。 晶须长度的测量 晶须长度的测量是根据JEITA的ET-7410标准进行的，即晶须的出现点至最远点的直线距离。 结果与讨论 在经过1,000个小时储存于受控制的环境条件下（30℃/60％RH）后，实验人员对晶须进行了检查，测量与制表。在粗糙化各种形态所做的晶须测试收集到的数据都如图6与图7所示。图6是把最长的晶须长度作为粗糙度的一个函数，图7则是把每平方毫米的晶须密度作为粗糙度的一个函数。 该数据清楚地表明，表面粗糙度与晶须习性之间是有明确的相关性的。表面越粗糙，生成的晶须的长度就更短，而每平方毫米的晶须密度也就更小。图8则明确地展示了这么一个比较，在较光滑的铜（Ra 0.13）上的镀锡长出了3祄长的晶须，然而在较粗糙的表面上(Ra 0.47)却没有任何晶须。 锡镀层厚度长达10祄的样品于30oC/60％RH环境下存储7000小时，然后通过化学手段把锡剥离出来并检查IMC的形态。另外，制备以及检查横截面来认证自顶向下的观察。 图9展示了锡以两个最大程度Ra（即Ra 0.13和Ra 0.47）剥离出来后IMC的顶视图。图10展示了同一Ra值下的横截面。可以明确知道的是，与0.13祄较光滑的Ra相比，0.47祄即更粗糙的Ra会生成更薄更均匀的IMC，前者则会在局部增加IMC的厚度。一个合理的解释是，相比于较光滑表面的较小区域，IMC会在更为粗糙的形态上分布得更广。接下来IMC形成时所产生的压力会随着底层铜基底表面粗糙度的增加而高度减少与消散。 研究人员会使用“润湿平衡测试”以及“弯曲测试”来检验一个10祄的锡镀层表面形态的两个极端情况下的可焊性与延展性。结果表明，这在性能方面并没有什么实际上的差别。 B 修改锡镀层的晶体结构 一个对锡与锡铅合金的晶体结构的检查表明这两种镀层是有明显的不同之处。不会产生晶须的锡铅具有等轴相对细颗粒的沉着物。另一方面，锡显示了具有较大的柱状晶体。图12展示了锡与锡铅合金(10 wt%Pb)在晶体结构上的不同。 研究人员相信，如果锡的晶体结构可以改造成与锡铅一样的晶体结构的话，压力就可以消除，而晶须也不会形成。 研究人员使用了前面所提到同样用于研究铜表面粗糙度的测试媒介与镀覆条件。 通过在槽里添加特定的添加剂，可以生成三种类型的锡镀层： “A”型是一种标准的锡镀层，其特点是具有大柱状晶体； “B”型是经过修改以生成较小的柱状晶粒结构； “C”型是进行了更进一步的修改以生成一个更小的晶粒，即两边柱状是跟等轴的一样好，这种类型几乎是模仿了锡铅的结构（见图13）。 至于添加剂的电平，是透过持续的定量添加而维持的。添加量是根据电镀的安培小时（Amp Hrs）以及相容晶体结构进过整个周期电镀浴后的结果添加的。 这三种类型都镀了典型的10微米厚度（典型的引线框厚度）并且在特定的环境下（30℃/60%RH）放置4,000个小时。图14展示了A型的锡镀层形成了相对较长的晶须；图15展示了B型的晶须要比A型的长；图16则展示了储存于相同条件下的C型晶体结构是没有形成晶须的。 图18展示了通过添加特定添加剂来改造电镀浴，从而得到细粒等轴晶体结构（即C型锡镀层）的结果。 其结果是一种产生最小压力的IMC，而且这种IMC非常受控制，均匀分布且相当薄。在此项研究中，具有细粒等轴晶体结构的锡镀层在特定环境条件下保存长达22,000个小时，而在此条件此时间段内，并没有在锡镀层上发现任何晶须。 结论 在这项研究中采用了两种截然不同的方法来尝试防止晶须在锡镀层上形成。第一种方法是在锡镀之前微粗糙铜基板来生成一个均匀的IMC。均匀的IMC可以消除局部区域的高应力。第二种方法是修改晶粒，从一个大的柱状结构修改成细粒等轴结构，类似锡铅镀层的结构。这种方法主要是利用市售的专有的添加剂进行的。具有类似锡铅镀层晶体结构的锡镀层可以有效抑制锡须的形成。修改锡镀层的晶体结构也由此被证明是一个有效抑制锡须形成的方法。

文章内容仅供参考 (投稿) (1/7/2013)