汽車電子產(chǎn)品錫須測(cè)評(píng)：大研智造激光焊錫機(jī)的關(guān)鍵作用

在電子產(chǎn)品無(wú)鉛化進(jìn)程中，錫須問(wèn)題成為影響可靠性的關(guān)鍵因素。錫須能造成短路，引發(fā)產(chǎn)品失效。本文深入分析錫須機(jī)理，介紹試驗(yàn)及檢驗(yàn)方法，并探討預(yù)防措施，旨在提升無(wú)鉛電子元器件的可靠性。大研智造激光錫球焊錫機(jī)在預(yù)防錫須問(wèn)題上展現(xiàn)出積極作用。

隨著電子產(chǎn)品無(wú)鉛化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，以錫及其合金為代表的無(wú)鉛焊料在電子行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而，這也帶來(lái)了新的可靠性問(wèn)題，其中最為典型的便是“錫須”問(wèn)題。錫須的危害不容小覷，它可以直接與鄰近導(dǎo)體接觸，進(jìn)而形成短路，最終造成產(chǎn)品失效。近年來(lái)，因錫須問(wèn)題引發(fā)的產(chǎn)品召回案例屢見(jiàn)不鮮。例如，媒體曾報(bào)道某車企旗下高端電動(dòng)車品牌在行駛過(guò)程當(dāng)中突發(fā)故障，無(wú)法繼續(xù)行駛。經(jīng)檢測(cè)，故障原因是前后橋逆變器電容上，由螺絲連接的鍍錫端子產(chǎn)生了錫須，致使高壓直流電正負(fù)極短路，從而造成逆變器無(wú)高壓供電。

鑒于錫須可能引發(fā)的嚴(yán)重后果，本文將對(duì)無(wú)鉛電子器件的錫須現(xiàn)象進(jìn)行深入的機(jī)理分析，并詳細(xì)介紹錫須生長(zhǎng)試驗(yàn)及檢驗(yàn)方法，旨在為無(wú)鉛電子元器件的可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供有益參考。同時(shí)，大研智造激光錫球焊錫機(jī)在汽車電子家電產(chǎn)品的焊接環(huán)節(jié)中，憑借其先進(jìn)技術(shù)，對(duì)錫須問(wèn)題的預(yù)防也有著積極作用，后文將詳細(xì)闡述。

1.1 錫須定義

錫須（Tin Whisker）是從錫或鍍錫金屬表層自然生長(zhǎng)出的須狀純錫晶體。這是電子產(chǎn)品及設(shè)備中較為普遍的現(xiàn)象，其直徑約為幾個(gè)微米，長(zhǎng)度介于幾十微米到十幾毫米之間。錫須的形態(tài)豐富多樣，包括長(zhǎng)針狀、彎曲狀、扭結(jié)狀等，具體形態(tài)如圖2所示。

圖 2 錫須外觀

1.2 錫須的危害

錫須本身具有導(dǎo)電性，因此其最大風(fēng)險(xiǎn)在于極易造成電子產(chǎn)品上相鄰導(dǎo)體之間的短路。對(duì)于對(duì)可靠性要求極高的汽車電子而言，在產(chǎn)品使用年限內(nèi)出現(xiàn)錫須問(wèn)題通常是無(wú)法接受的。

1.3 錫須生長(zhǎng)機(jī)理

一般認(rèn)為，鍍層內(nèi)部的壓應(yīng)力是錫須生長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。具體來(lái)說(shuō)，錫與銅之間相互擴(kuò)散，會(huì)形成金屬間化合物（IMC），這一過(guò)程會(huì)使錫層內(nèi)應(yīng)力迅速增大，促使錫原子沿著晶體邊界擴(kuò)散，從而產(chǎn)生錫須。壓應(yīng)力的來(lái)源可以是機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力或化學(xué)應(yīng)力。

圖 3 錫須生長(zhǎng)機(jī)理

1.4 錫須生長(zhǎng)影響因素

影響錫須生長(zhǎng)的因素可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素涵蓋鍍層和基底的材料特性，如熱膨脹系數(shù)、原子擴(kuò)散能力、反應(yīng)生成IMC的能力等，還包括鍍層合金、厚度、結(jié)晶組織以及表層狀況等。外部因素則包含外部機(jī)械應(yīng)力、溫度、濕度、環(huán)境氣氛、外部氣壓以及輻射等。通過(guò)控制這些因素的變化，可以實(shí)現(xiàn)加速或抑制錫須生長(zhǎng)的目的。

1.5 錫須的預(yù)防措施

以下技術(shù)可減緩錫須的生長(zhǎng)：

1. 使用霧錫：若使用Ni阻擋層，鍍層厚度應(yīng)在2μm以上；若不使用Ni阻擋層，厚度最好大于10μm。大研智造激光錫球焊錫機(jī)在焊接過(guò)程當(dāng)中，可以精準(zhǔn)控制錫球的落點(diǎn)與用量，對(duì)于霧錫工藝的實(shí)施具有良好的輔助作用，確保鍍層厚度均勻，符合預(yù)防錫須生長(zhǎng)的要求。

2. 設(shè)置阻擋層：采用Ni或Ag作為阻擋層。該焊錫機(jī)的高精度定位系統(tǒng)，可準(zhǔn)確將含有阻擋層材料的錫球放置在指定位置，保證阻擋層的完整性與準(zhǔn)確性，有效阻止錫須的產(chǎn)生。

3. 采用Sn合金：添加少量Bi元素替代純Sn。大研智造激光錫球焊錫機(jī)可以精確控制合金成分的比例，在焊接時(shí)確保Sn合金中Bi元素的含量精準(zhǔn)，從材料層面下降錫須生長(zhǎng)的可能性。

4. 進(jìn)行老化處理：如在150℃下處理1小時(shí)或者170℃下處理10分鐘。

5. 實(shí)施回流焊接 。

2.1 錫須試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布了關(guān)于錫須生長(zhǎng)測(cè)評(píng)的規(guī)范JESD22 - A121.01《錫和錫合金鍍層晶須生長(zhǎng)測(cè)量的試驗(yàn)方法》，國(guó)際電工委員會(huì)IEC也發(fā)布了關(guān)于錫須測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068 - 2 - 82《電子組件中使用的元件和零件的錫須測(cè)試方法》。這些規(guī)范構(gòu)建了一套錫須測(cè)試的最低條件和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，使得工業(yè)界可以在電子產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中對(duì)錫須生長(zhǎng)特性進(jìn)行測(cè)量與評(píng)價(jià)，基本滿足常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)的使用需求。由于錫須生長(zhǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的可靠性問(wèn)題，因此必須明確合適的加速試驗(yàn)方法及加速因子，才有可能通過(guò)短期試驗(yàn)來(lái)評(píng)估其長(zhǎng)期可靠性。本文綜合上述試驗(yàn)方法，形成了一套特有的錫須試驗(yàn)測(cè)評(píng)體系。

JEDEC規(guī)范中，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境、樣品準(zhǔn)備、觀察周期等方面都有詳細(xì)規(guī)定，例如要求在特定溫濕度條件下對(duì)樣品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀察。IEC標(biāo)準(zhǔn)則更側(cè)重于對(duì)不同類型電子元件的錫須測(cè)試方法的規(guī)范，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

2.2 試驗(yàn)類型

普遍的錫須試驗(yàn)通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行加速模擬，一般通過(guò)提高環(huán)境應(yīng)力來(lái)縮短試驗(yàn)時(shí)間。根據(jù)錫須產(chǎn)生機(jī)理及應(yīng)力類型的不同，可將錫須試驗(yàn)分為以下三類：

1. 恒溫錫須：此類錫須由基材金屬Cu擴(kuò)散至Sn而引發(fā)的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，通常需進(jìn)行高溫放置試驗(yàn)。其原理是在高溫環(huán)境下，加速Cu與Sn之間的擴(kuò)散過(guò)程，促使內(nèi)應(yīng)力更快形成，從而加速錫須生長(zhǎng)。

2. 濕熱錫須：這類錫須的產(chǎn)生是由于Sn氧化產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，需進(jìn)行溫濕度循環(huán)試驗(yàn)。在溫濕度不斷變化的過(guò)程當(dāng)中，模擬實(shí)際使用環(huán)境中可能出現(xiàn)的潮濕、溫度波動(dòng)等情況，加速Sn的氧化，進(jìn)而加速錫須的生長(zhǎng)。

3. 熱沖擊錫須：其產(chǎn)生原因是基材金屬Cu或過(guò)渡層的金屬與Sn鍍層之間因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，需進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。通過(guò)快速的溫度變化，使不同材料間產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而加速錫須的產(chǎn)生。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，可依據(jù)樣品鍍層類型（亮錫/霧錫）、部件母材差異以及是否有阻擋層等因素，合理組合三種試驗(yàn)進(jìn)行晶須測(cè)試，具體可參考圖4鍍Sn樣品試驗(yàn)步驟。

圖 4 鍍 Sn 樣品試驗(yàn)步驟

2.2.1 溫濕度循環(huán)試驗(yàn)

溫濕度循環(huán)試驗(yàn)條件設(shè)定為：常溫（25 ± 3）℃，常濕度（50 ± 5）%；高溫（85 ± 3）℃（樣品最高貯存溫度），高濕度（85 ± 5）%。按照?qǐng)D5進(jìn)行5個(gè)循環(huán)，樣品數(shù)量為4PCS，無(wú)電壓、無(wú)負(fù)荷。

圖 5 溫濕度循環(huán)試驗(yàn)

2.2.2 高溫放置試驗(yàn)

此試驗(yàn)條件為：溫度50℃，放置時(shí)間4000h，樣品數(shù)量4PCS，無(wú)電壓、無(wú)負(fù)荷。

2.2.3 溫度循環(huán)試驗(yàn)

試驗(yàn)條件為：低溫（ - 40 ± 3）℃，高溫（85 ± 3）℃，保持時(shí)間取決于樣品溫度達(dá)到指定溫度并穩(wěn)定所需時(shí)間，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間T2、T4 ＜ 30s，進(jìn)行1000個(gè)循環(huán)；樣品數(shù)量4PCS，無(wú)電壓、無(wú)負(fù)荷。

圖 6 溫度循環(huán)試驗(yàn) Sn

3.1 錫須測(cè)量設(shè)備

1. 光學(xué)顯微鏡：需配備充足照明，放大倍數(shù)在100 - 300倍之間，可以測(cè)量最小軸向長(zhǎng)度為10μm的須晶。其光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具備可在三維空間移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的載物臺(tái)，以便須晶能垂直于觀察方向進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，工作距離范圍應(yīng)足夠廣，以實(shí)現(xiàn)多焦平面觀察。

圖 7 光學(xué)顯微鏡測(cè)量錫須

2. 掃描電子顯微鏡（SEM）：由于SEM具有高焦深的特色，是研究錫須的首選設(shè)備。其放大倍數(shù)至少為250倍，最好配備可傾斜和旋轉(zhuǎn)樣品的處理系統(tǒng)，建議使用裝有X射線檢測(cè)器的掃描電鏡進(jìn)行元素鑒定。

圖 8 掃描電子顯微鏡測(cè)量錫須

3.2 錫須測(cè)量的注意事項(xiàng)

晶須本身極為脆弱，因此在試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中和試驗(yàn)后，都應(yīng)避免產(chǎn)品受到強(qiáng)風(fēng)、較大機(jī)械振動(dòng)沖擊。操作時(shí)需輕拿輕放，嚴(yán)禁用手直接觸碰電路板表層，應(yīng)將樣品存放在干凈無(wú)污染的環(huán)境中。試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)盡快對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。

檢測(cè)時(shí)，優(yōu)先使用掃描電子顯微鏡對(duì)樣件可能生長(zhǎng)錫須的部位進(jìn)行初步篩選檢驗(yàn)。錫須的判定依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)：

1. 長(zhǎng)度與直徑比為2或以上；

2. 長(zhǎng)度為10μm或以上。

若初步篩選檢驗(yàn)未檢測(cè)到錫須，則試驗(yàn)結(jié)果符合要求。若檢測(cè)到錫須，需使用電子掃描顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行詳細(xì)檢驗(yàn)，記錄高于規(guī)定長(zhǎng)度的晶須根數(shù)，測(cè)量各部位產(chǎn)生的最長(zhǎng)晶須的長(zhǎng)度，并對(duì)產(chǎn)生晶須的位置拍攝細(xì)節(jié)照片和整體照片。

圖 9 晶須長(zhǎng)度測(cè)量示例

3.3 錫須長(zhǎng)度的測(cè)量

由于錫須形態(tài)各異，晶須長(zhǎng)度的測(cè)量定義為從表層到晶須上最遠(yuǎn)點(diǎn)的直線距離（即包含晶須且中心位于出現(xiàn)點(diǎn)的球體的半徑），如圖9所示。測(cè)量時(shí)，應(yīng)旋轉(zhuǎn)試樣，使晶須的源和最遠(yuǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在觀察平面內(nèi)，如圖10所示。

圖 10 晶須長(zhǎng)度測(cè)量

3.4 錫須的評(píng)估

3.4.1 晶須長(zhǎng)度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

與晶須相關(guān)的主要風(fēng)險(xiǎn)是在兩個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)電表層之間形成電連接，即通常所說(shuō)的短路。因此，晶須形成短路的風(fēng)險(xiǎn)僅與電子或電路中導(dǎo)電表層的接近程度有關(guān)。不同元器件的最小距離如圖11所示。

圖 11 元件和電路板的最小距離

錫須長(zhǎng)度閾值的判定方法如下：

1. 發(fā)生晶須最長(zhǎng)長(zhǎng)度小于發(fā)生晶須的部位和鄰近晶須可能發(fā)生部位的長(zhǎng)度的1/2；

2. 晶須的最大長(zhǎng)度，應(yīng)在設(shè)備發(fā)生短路得到的最短部位長(zhǎng)度以下。

3.4.2 晶須密度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

晶須密度即單位面積的晶須數(shù)量，目前并無(wú)證據(jù)表明晶須密度、最終表層上晶須密度的均勻性與晶須長(zhǎng)度之間存在任何相關(guān)性，因此晶須密度與晶須帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)并無(wú)關(guān)聯(lián)，無(wú)需根據(jù)晶須密度建立評(píng)估驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4 試驗(yàn)應(yīng)用案例

某車身集成控制器為鍍錫件，且為亮錫，其母材不含F(xiàn)e - Ni合金成分。針對(duì)該產(chǎn)品策劃錫須生長(zhǎng)試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)步驟，先進(jìn)行溫濕度循環(huán)試驗(yàn)，再進(jìn)行50℃放置試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與前文所述一致。試驗(yàn)結(jié)束后，使用顯微鏡對(duì)樣品可能生長(zhǎng)錫須的部位進(jìn)行初步篩選檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樣品多處存在疑似晶須生成的情況。隨后，使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行詳細(xì)檢驗(yàn)，檢測(cè)到錫須并測(cè)量了錫須的長(zhǎng)度，如圖12、13所示。

圖 12 電阻上的錫須

圖 13 電容上的錫須

通過(guò)上述觀察，發(fā)現(xiàn)該車身控制器存在錫須生長(zhǎng)問(wèn)題，這在產(chǎn)品使用過(guò)程當(dāng)中極有可能造成功能失效等嚴(yán)重后果，必須引起高度重視。若在該產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，使用大研智造激光錫球焊錫機(jī)，利用其在控制鍍層厚度、精準(zhǔn)放置阻擋層材料以及精確控制合金成分比例等方面的優(yōu)勢(shì)，或許可以有效避免錫須生長(zhǎng)問(wèn)題。例如，通過(guò)精確控制錫球落點(diǎn)與用量，確保霧錫鍍層厚度均勻，下降因鍍層問(wèn)題造成的錫須生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)；利用高精度定位系統(tǒng)準(zhǔn)確放置阻擋層材料，增強(qiáng)對(duì)錫須產(chǎn)生的抑制作用；精準(zhǔn)控制合金成分比例，從材料本質(zhì)上減少錫須生長(zhǎng)的可能性。

隨著汽車電子家電產(chǎn)品向無(wú)鉛化和高度精密化發(fā)展，錫須生長(zhǎng)問(wèn)題對(duì)其可靠性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。錫須通常在幾年至十幾年后出現(xiàn)，其生長(zhǎng)可能引發(fā)嚴(yán)重的失效問(wèn)題。因此，積極開(kāi)展溫濕度循環(huán)試驗(yàn)、高溫放置試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)等環(huán)境組合試驗(yàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品的錫須生長(zhǎng)情況，并研究出科學(xué)可行的測(cè)量和評(píng)估方法至關(guān)重要。同時(shí)，像大研智造激光錫球焊錫機(jī)這樣的先進(jìn)設(shè)備，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對(duì)錫須問(wèn)題的預(yù)防具有重要意義。通過(guò)合理運(yùn)用先進(jìn)設(shè)備與科學(xué)的試驗(yàn)評(píng)估方法，可以更好地保障汽車電子家電產(chǎn)品的可靠性，推動(dòng)汽車電子行業(yè)的健康發(fā)展。

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