电子设备中减轻锡须技术的介绍

“锡须”对于电子制造的某些方面来说不是一个富有想象力的幻想术语。锡须是真实的。它们是从纯锡表面发出的微观导电纤维，它们对所有类型的电子产品都构成了严重的问题。这些晶须可以形成电气路径，从而影响目标设备的运行。本文讨论了从电子设备中去除铅引起的问题，并描述了一些减轻锡须的技术。

介绍

本文讨论了锡须：它们是什么，它们来自哪里，以及我们对它们的了解。讨论涵盖了从电子产品中去除铅引起的问题，其中最重要的是我们的主题锡须问题。最后，提出了减轻锡须的方法。

问题概述

简而言之，“锡须”对于电子制造的某些方面来说并不是一个富有想象力的幻想术语。锡须是真实的。它们是从纯锡表面发出的微观导电纤维，它们对所有类型的电子产品都构成了严重的问题。锡须并不是转向无铅电子产品后产生的新现象。事实上，它们最早是在 1940 年代撰写的论文中报道的。

铅（化学符号Pb）已被有害物质限制（RoHS）指令禁止。尽管RoHS起源于欧洲，但其指令现在几乎影响了今天制造或计划在不久的将来生产的每一件电子齿轮。连接器、无源和有源元件、开关和继电器现在都必须是无铅的。

为什么要有如此严格的授权？这种动力并非来自电子和半导体（IC），而是来自感知的公共安全。欧洲安全机构确定有必要防止铅进入垃圾填埋场，因为它是一种有害物质。铅被认为是一种神经毒素，已知会抑制血红蛋白的产生并影响大脑发育。儿童显然比成人面临更大的风险。奇妙的是，从油漆和汽油中去除铅显着改善了我们的环境，对儿童特别有益。

仔细看看罪魁祸首

人眼几乎看不见锡须，比人的头发细10到100倍。它们可以在电气设备引线之间架桥相当长的距离，这样做可以使导体短路。它们可以相当迅速地增长;孵化时间可以从几天到几年不等，根据美国宇航局关于胡须的背景。 它们何时开始生长没有固定的时间表。

当晶须在两个导体之间生长时，晶须通常会“熔断”（消失），从而产生瞬时短路。在某些情况下，它会形成导电路径，在不正确的位置产生错误信号，进而导致相关设备的不当操作。在极少数情况下，晶须不会像保险丝一样消失，而是可以形成能够承载超过 200 安培电流的导电等离子体！

晶须还可能断裂并与印刷电路板 （PCB） 走线和其他导电件接触，从而干扰电信号。在光学系统中，它们可以破坏或减弱透射光;在MEMS中，它们会干扰预期的机械功能。

胡须是真实的，它们会引起真正的问题。但它们也是随机的。他们到底有多大的问题？在过去的五年里，纯镀锡电子产品在现代社会中无处不在。这些电子系统是我们通信和金融系统、制造和运输系统的支柱，当然还有我们的发电厂（核能和常规发电厂）。锡须在意想不到的地方产生了导电路径和其他破坏。2005年，康涅狄格州美国磨石核电站的随机“完全关闭”信号归因于锡须。

由于纯锡具有潜在的危险和不可预测的风险，因此目前尚未用于医疗设备。2014 年之前允许在外部医疗设备中使用铅，在 2021 年之前允许在内部医疗设备中使用铅。

它们如何以及为什么生长？

工业界并不真正知道是什么导致了锡须，我们也不真正了解它们是如何形成的。我们无法预测它们，只能说胡须可能会在纯锡上形成。用加速寿命测试来研究它们已被证明是没有用的，因为它们在模拟环境中不会生长得更快或更快。

因此，锡须会随机生长并干扰系统/子组件性能。你能做什么？要制定缓解策略，首先需要了解导致锡须的原因。不幸的是，对于它们是如何形成的，没有公认的解释，但存在许多理论。

一些假设晶须是响应镀锡层内的残余应力而形成的，并且是由镀层的化学性质引起的。他们指出，由明亮（小颗粒）电镀工艺表面处理产生的残余应力容易产生晶须。然而，大颗粒饰面（哑光）也已知会长出胡须。其他人则认为，重结晶和异常晶粒生长可能会影响晶格间距，导致晶须。

压力可能来自许多地方，并在“铅”世界中被接受。但这些相同的压力似乎在纯锡世界中引起了胡须。应力来源包括外部活动（如拧紧紧固件）产生的压缩力;引线形成过程中可能发生的弯曲或拉伸;甚至在正常处理中产生的划痕或划痕。最后，引线框架基材和镀锡材料之间看似微小的热膨胀系数差异被认为是导致晶须问题的应力的可能来源。1退火哑光锡似乎是减轻应力的最成功的表面处理，因此经常被组件公司用作无铅表面处理。

这会给我们带来什么？已经进行了许多实验，结果不一致。目前的共识是，增加应力或促进扩散的影响倾向于诱导晶须形成。所以综上所述，业界真的不知道是什么原因导致锡须的形成。

铅真的是问题吗？

稍微改变一下节奏，从不同的角度考虑主要问题。每年真正消耗多少铅？根据国际铅锌研究小组的数据，2010年全球铅的使用量从2009年的896.6万吨略有增加至959.5万吨。4（考虑到2009年经济放缓，这种增长是可以理解的。其中80%的铅使用量消耗在铅酸电池中。另请注意，在RoHS指令之前，电子焊料仅消耗0.5%，IC电镀仅消耗0.05%！

所有这些统计数据告诉我们什么？2010年，铅在所有应用中的使用量约为210亿磅。其中，电池消耗了168亿磅，如果RoHS指令对电子产品不起作用，IC铅表面处理将仅消耗约1050万磅。顺便说一下，铅酸电池中的铅仍然不受RoHS指令的约束。

回想一下，电子产品中铅对环境的预期危害是RoHS立法行动背后的推动力。人们担心铅会成为地下水的污染物。但许多善意的人忽略了一个重要事实：元素铅不溶于水。其他消息来源同意：“铅不会在环境中分解。一旦铅落到土壤上，它通常会粘在土壤颗粒上。当在明火回收操作中燃烧时，人们担心如果吸入铅会产生有毒蒸气。来自美国宇航局，事实是：

明火温度约为1000°C，但铅在1740°C沸腾。

因此，Pb的蒸气压可以忽略不计，Pb蒸气中毒的可能性很小。

使用SnPb焊接的工人血液中的铅含量不高。

最后，没有证据表明电子产品中的铅会带来健康风险或造成环境危害。然而，许多提出的无铅解决方案确实会带来环境问题，许多解决方案对环境的影响要严重得多。

无铅电子产品选项

向无铅产品的转变意味着电子行业必须开发与这些焊料兼容的无铅焊料和端子表面处理。尝试了许多不同的无铅合金和一些非常复杂的二元、三元和四元合金。这些合金价格昂贵且难以使用。此外，还研究了几种锡银合金，如锡-银-铜、锡-银-铋、锡-银-铜-铋，以及各种其他组合。铋-209具有轻微的放射性，因此它提出了自己的一系列问题。转换为无铅电子产品存在许多严重的问题，但我今天不会对所有这些问题进行抨击。但是，有两种解决方案值得一提。

纯锡（Sn）价格低廉且易于获得，没有化学危险，并且易于使用。与亮锡或小颗粒锡相比，当今大多数无铅端子表面处理都是退火哑光锡（也称为大颗粒锡）。上面已经介绍了纯锡的已知和预期问题：胡须。它们会随着时间的推移而形成，随机生长，最终可能导致短路或更糟。胡须在地面上生长相当缓慢，但在高海拔地区生长得更快。有一些缓解技术，我将暂时讨论。

镍钯金（NiPdAu）是一种流行的无铅饰面材料，使用越来越广泛。Maxim Integrated目前提供超过5000种不同的零件号。它比纯锡贵，需要高温无铅焊料。

在考虑组件的表面处理时，评估最终所需的可靠性与风险也很重要。在马里兰大学高级生命周期工程中心（CALCE）举行的2010年锡须国际研讨会上发表的工作将最终可靠性分为三类，并提出了不同铅饰面的风险水平：7

I级：产品的预期现场寿命少于五年。

二级：产品需要非常高的可靠性;如果存在冗余或故障组件可以修复或更换，则故障可能是可以容忍的。

三级：产品必须超可靠;没有简单的方法来修理或更换必须具有较长计划使用寿命的组件/子组件。

饰面材料	一级	二级	三级
锡铅> 3%	低	低	低
纯锡	中等	高	高
Sn Matte	低	中等	高
Sn Matte/Ni Underlayer	低	中等	高
Sn Matte/Ni and Annealed	低	中等	高
SnBi	低	中等	高
锡铜	中等	高	高
SnAg	低	中等	高
NiPdAu	低	低	低

制造问题和意外

当然，当电子行业采取行动消除铅问题时，就像锡须效应一样。尽管如此，也有一些完全的惊喜。

电子制造工程师知道，如果他们在组装中混合使用含铅和无铅零件，他们将不得不使用两次通过焊锡机。是的，一个问题，但并不奇怪。然而， 当薄 PCB 在无铅焊料所需的较高温度下下垂时，他们感到惊讶.他们已经承认锡须的可能性，这仍然是一个主要问题。但他们并不总是考虑更高的温度通过产生的额外热负荷和通过回流焊硬件的循环次数。

真正令人惊讶的是无铅焊料在高振动环境中的破裂。SnPb焊料不脆，但许多较新的无铅选择是。例如，飞机在从地球表面（可能+25°C至+40°C）移动到30，000英尺（-60°C）时，具有许多振动频率和相当快速的温度循环。无铅焊料会出现断裂，进而导致电路中的间歇性接触。可以肯定的是，这在电传操纵飞机上不是一个好主意，是吗？

最后，卫星长出胡须的速度非常快。（回想一下，海拔越高，晶须形成得越快。因此，各个卫星机构现在要求引线的完成至少为3%的铅。大多数IC制造商实际上提供更传统的85/15 SnPb表面处理。

缓解，但不是消除

首先，我要指出一个显而易见的事实：减缓不是消除。它只是严重程度的降低。锡须仍然会生长。事实上，许多金属，包括锌、镉、铟、银、铝、金，是的，甚至铅，都会长出晶须。但最具破坏性和最普遍的是锡须，可以长到 10 毫米。

以下是一些降低锡须风险的建议：

不要使用纯锡。这似乎很简单。相反，请使用铅含量至少为3%的锡铅合金。是的，甚至SnPb也被证明可以长出胡须，但据观察，它们比纯锡须小得多。

不要依赖订单文件。使用XRF来验证所有关键部件的光洁度。

用热焊浸渍重新修饰纯锡饰面零件。Maxim在其所有无铅器件上均提供此项选件，所有这些器件均享有Maxim的完整保修。

使用某种类型的封装或保形涂层。美国宇航局已经表明，Arathane 5750（以前称为Uralane 5750）在纯锡表面上以2密耳至3密耳的标称厚度应用时，可以有效防止锡须短路。

保形涂层的优点

保形涂层， 顾名思义， 一种惰性材料的涂层， 可以保护电子电路板免受与锡须生长相关的问题： 短路， 等离子弧， 和碎屑.在定义保形涂层的要求时，请考虑以下几点：

它必须减缓锡须的形成。我们承认，在我们首先了解锡须是如何形成的之前，锡须是无法停止的。

它必须防止任何有核的锡须向外逸出。

它必须防止在保形涂层外部形成的晶须渗透。

它必须保护涂层电路板免受松散的晶须碎屑的影响.

多年来，波音、斯伦贝谢、洛克希德、雷神公司、英国国家物理实验室、CALCE和美国宇航局等公司对许多类型的保形涂层进行了研究。研究摘要7表2中显示没有保形涂层符合上述所有标准。然而，当应用足够厚时，Arathane涂层似乎很有希望，并且保形涂层确实可以防止短裤的碎屑。最终，没有涂层是100%有效的，晶须仍然会生长。如果在操作时需要散热的部件上使用保形涂层，则需要考虑热效应。如有必要，可能需要对设备进行降额。

材料	相对厚度	时间	结果
丙烯酸	1， 2， 3 密耳	5 年， 50°C/50%相对湿度	1密耳穿透，帐篷
有机 硅	1 至 20 密耳	150天	晶须穿透
聚对二甲苯 C	0.4 至 0.5 密耳	长达 5 年，50°C/50%相对湿度	0.4密耳穿透
聚氨酯（芳草烷）	1， 2， 3 密耳	5 年，50°C/50%相对湿度和 11 年	穿透力为1密耳;11 岁时没有 2 密耳
聚氨酯丙烯酸酯	1 和 3 密耳	150天后正常;25°C/95%相对湿度	穿透力为 1 密耳和 3 密耳

结论

在考虑电子产品的表面处理材料时，SnPb解决方案仍然是最好的，因为工业界在使用该材料方面拥有更多经验。此外，SnPb已被证明没有晶须问题，并且在高振动环境中具有很强的弹性。

NiPdAu是一种合理的替代品，因为它也被证明可以抵抗晶须的形成。然而，NiPdAu对高振动环境的适用性仍在评估中。它的焊料是温度较高的焊料，实际上可能比传统的SnPb焊料延展性差。

当使用含锡饰面时，保形涂层在某种程度上是有效的，也可能是合适的。上述任一非SnPb解决方案都会增加成本。NiPdAu表面处理在芯片键合和封装之前电镀到整个引线框架上。（相比之下，SnPb在塑料封装后电镀到引线框架上。虽然包含晶须，但保形涂层增加了加工步骤，可能的热问题，并且不能完全防止晶须形成。