一 Sn晶须发生机理中的氧化层破裂机制

　　在通常环境中，Sn基焊料层表面均覆盖有氧化层（SnO层），且SnO层是覆盖整个表面的一个完整体表皮层。晶须为了生长，就必须延伸使得表面氧化层破裂。氧化层最容易断裂的位置就是晶须生长的根部。为了保持晶须的生长，这种断裂一定要产生来维持未氧化的自由表面，以保证Sn晶须生长所需的Sn原子可以长程扩散过来。

　　Sn晶须表面氧化层对Sn晶须的生长也起到了至关重要的限制作用，而使其沿单一方向生长。表面氧化层阻止了Sn晶须的侧向生长，这就解释了为什么Sn晶须具有像铅笔的形状且直径只有几μm。

　　二 Sn晶须发生机理中的Sn晶须生长机制

　　Sn晶须的生长属于一种自发的表面突起现象。Bell实验室较早报道了Sn电镀层上会出现自发生长的Sn晶须。对Sn晶须的结构性能进行研究得出：Sn晶须为单晶结构。Sn晶须的生长是自底部（根部）而非顶部方式进行的。

Sn晶须是直径为1～10μm，长度为数微米至数十微米的针状形单晶体，易发生在Sn、Zn、Cd、Ag等低熔点金属表面。在镀Sn层中Sn晶须生长的原动力是在镀Sn中药水失衡造成层中产生的压缩应力，或是Cu、Sn合金相互迁移所形成的内应力所致。假若内应力未被控制或释放，Sn晶须便很容易在晶界的缺陷处生长。Sn晶须在室温下较易生长（1.5个月晶须长度可达1.5μm），从而造成电气上的短路，特别是对精细间距与长使用寿命器件影响较大。在PCBA组装中Sn晶须是从元器件和接头的Sn镀层上生长出来的，在Sn中加入一些杂质可避免Sn晶须的生长。

　　三 如何抑制Sn晶须的生长？

　　由于电子产品服役条件和环境千差万别，所以抑制晶须生长通用方法一般要从内部因素入手。

1. Pb可以有效减缓Sn晶须的生长

　　原因在于Pb和Sn不会形成金属间化合物，而且Sn晶界上的Pb阻碍了Sn原子的扩散，从而降低了晶须密度。

　　2. 粗晶粒可以有效缓解晶须生长

　　镀层的粗晶粒与细晶粒相比，粗晶粒可以有效缓解晶须生长。原因在于粗晶粒晶界较少，有效抑制了原子扩散。

　　3. 采用较厚的镀层可以延长Cu在Sn中扩散的距离

　　减小表面受到的压应力，从而减缓晶须生长。2μm左右的Sn镀层厚度最容易生长晶须，因此采用更厚些或者更薄些的Sn镀层是一种对策。例如，Sn镀层薄到2μm以下时，由于铜的扩散，镀层就会在极短的时间内全部成为金属间化合物（Cu₆Sn₅）。这又将导致湿润性劣化和接触电阻增高而达到实用上的限制。当采用厚镀层时，镀层内部应力发生变化，结晶取向性、粒子尺寸及构造等也会随之发生变化。镀速和杂质等也是重要的影响因素，因此必须综合考虑这些工艺参数。

　　4. Cu引脚与Sn镀层之间预镀一层Ni作为扩散阻挡层

　　也可起到有效抑制Sn晶须生长的作用。但是在-55～+85℃的温度循环条件下，即使有Ni预镀层，晶须依然会加速生长。

　　5. SnCu薄膜比纯Sn更容易形成晶须

　　Cu原子通过在薄膜内形成Cu₆Sn金属间化合物，沉淀在晶界而增加了内部应力梯度，促使Sn晶须生成。据此有人提出退火可以有效缓解SnCu和纯Sn薄膜的晶须的生成。

　　6. 6. Sn晶须的生长是一个自发的过程

　　对于铜引脚的纯Sn镀层而言，生长Sn晶须是绝对的，而生长的快慢则可以从镀层工艺等进行相应的抑制，以减缓在规定时间内Sn晶须的生长长度和密度。

　　7. 抑制界面和晶界化合物形成是抑制室温晶须生长的关键

　　为了防止沿着Sn晶界处形成Cu₆Sn₅，最好避免使用铜引线架，而改用"42"合金、黄铜或者镀镍层为基底镀层等都是可行的对策。

　　8. 150℃时热处理30～60min，或者施行再流焊处理可以起到一定的抑制作用

　　这是因为Cu/Sn界面上形成的IMC可以在室温下作为Cu的扩散阻挡层。Cu原子在化合物层中的扩散相当缓慢，因此也有抑制Sn晶须的效果。欧美主张的150℃热处理就是根据这一原理提出的。

　　例如，在150℃下烘烤2h退火，由于高温能增加原子在结晶体内的摆动，促进原子在结晶体内活动的能力，能治愈晶格缺陷，所以能消除内应力。

　　9. 电镀雾Sn，改变其结晶的结构，减小应力，以降低Sn晶须发生的概率

　　10. 浸Sn工艺添加少量的有机金属添加剂

　　能改变Sn层的晶体结构，限制Cu₆Sn₅金属间化合物的生成。

　　11. 在焊接中形成的温度应力应尽可能低

　　这也是采用线性式升温再流曲线的理由之一。

　　12. 关注焊料中Sn含量的变化

　　纯Sn含量越高，形成Sn晶须的可能性就越大。

　　13. 使用喷Sn、Sn合金、再流Sn等表面处理工艺

　　14. Sn晶须生长取决于温度和湿度

　　生长的关键条件是温度在50℃以上，相对湿度>50%RH。因此，在应用中应尽力避开上述环境条件。

检测提示：

　　Sn晶须问题是电子可靠性领域的重要课题，特别是在无铅化趋势下更为突出。合理的材料选择、工艺控制和环境管理是预防Sn晶须的关键。

　　【本文转自腾昕检测，转载仅供学习交流。】