“錫須”對于電子制造的某些方面來說不是一個富有想象力的幻想術(shù)語。錫須是真實的。它們是從純錫表面發(fā)出的微觀導電纖維，它們對所有類型的電子產(chǎn)品都構(gòu)成了嚴重的問題。這些晶須可以形成電氣路徑，從而影響目標設備的運行。本文討論了從電子設備中去除鉛引起的問題，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，它們來自哪里，以及我們對它們的了解。討論涵蓋了從電子產(chǎn)品中去除鉛引起的問題，其中最重要的是我們的主題錫須問題。最后，提出了減輕錫須的方法。

問題概述

簡而言之，“錫須”對于電子制造的某些方面來說并不是一個富有想象力的幻想術(shù)語。錫須是真實的。它們是從純錫表面發(fā)出的微觀導電纖維，它們對所有類型的電子產(chǎn)品都構(gòu)成了嚴重的問題。錫須并不是轉(zhuǎn)向無鉛電子產(chǎn)品后產(chǎn)生的新現(xiàn)象。事實上，它們最早是在 1940 年代撰寫的論文中報道的。

鉛（化學符號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劃在不久的將來生產(chǎn)的每一件電子齒輪。連接器、無源和有源元件、開關(guān)和繼電器現(xiàn)在都必須是無鉛的。

為什么要有如此嚴格的授權(quán)？這種動力并非來自電子和半導體（IC），而是來自感知的公共安全。歐洲安全機構(gòu)確定有必要防止鉛進入垃圾填埋場，因為它是一種有害物質(zhì)。鉛被認為是一種神經(jīng)毒素，已知會抑制血紅蛋白的產(chǎn)生并影響大腦發(fā)育。兒童顯然比成人面臨更大的風險。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，對兒童特別有益。

仔細看看罪魁禍首

人眼幾乎看不見錫須，比人的頭發(fā)細10到100倍。它們可以在電氣設備引線之間架橋相當長的距離，這樣做可以使導體短路。它們可以相當迅速地增長;孵化時間可以從幾天到幾年不等，根據(jù)美國宇航局關(guān)于胡須的背景。 它們何時開始生長沒有固定的時間表。

當晶須在兩個導體之間生長時，晶須通常會“熔斷”（消失），從而產(chǎn)生瞬時短路。在某些情況下，它會形成導電路徑，在不正確的位置產(chǎn)生錯誤信號，進而導致相關(guān)設備的不當操作。在極少數(shù)情況下，晶須不會像保險絲一樣消失，而是可以形成能夠承載超過 200 安培電流的導電等離子體！

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

胡須是真實的，它們會引起真正的問題。但它們也是隨機的。他們到底有多大的問題？在過去的五年里，純鍍錫電子產(chǎn)品在現(xiàn)代社會中無處不在。這些電子系統(tǒng)是我們通信和金融系統(tǒng)、制造和運輸系統(tǒng)的支柱，當然還有我們的發(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)生了導電路徑和其他破壞。2005年，康涅狄格州美國磨石核電站的隨機“完全關(guān)閉”信號歸因于錫須。

由于純錫具有潛在的危險和不可預測的風險，因此目前尚未用于醫(yī)療設備。2014 年之前允許在外部醫(yī)療設備中使用鉛，在 2021 年之前允許在內(nèi)部醫(yī)療設備中使用鉛。

它們?nèi)绾我约盀槭裁瓷L？

工業(yè)界并不真正知道是什么導致了錫須，我們也不真正了解它們是如何形成的。我們無法預測它們，只能說胡須可能會在純錫上形成。用加速壽命測試來研究它們已被證明是沒有用的，因為它們在模擬環(huán)境中不會生長得更快或更快。

因此，錫須會隨機生長并干擾系統(tǒng)/子組件性能。你能做什么？要制定緩解策略，首先需要了解導致錫須的原因。不幸的是，對于它們是如何形成的，沒有公認的解釋，但存在許多理論。

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

壓力可能來自許多地方，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。應力來源包括外部活動（如擰緊緊固件）產(chǎn)生的壓縮力;引線形成過程中可能發(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)差異被認為是導致晶須問題的應力的可能來源。1退火啞光錫似乎是減輕應力的最成功的表面處理，因此經(jīng)常被組件公司用作無鉛表面處理。

這會給我們帶來什么？已經(jīng)進行了許多實驗，結(jié)果不一致。目前的共識是，增加應力或促進擴散的影響傾向于誘導晶須形成。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。

鉛真的是問題嗎？

稍微改變一下節(jié)奏，從不同的角度考慮主要問題。每年真正消耗多少鉛？根據(jù)國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896.6萬噸略有增加至959.5萬噸。4（考慮到2009年經(jīng)濟放緩，這種增長是可以理解的。其中80%的鉛使用量消耗在鉛酸電池中。另請注意，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)計數(shù)據(jù)告訴我們什么？2010年，鉛在所有應用中的使用量約為210億磅。其中，電池消耗了168億磅，如果RoHS指令對電子產(chǎn)品不起作用，IC鉛表面處理將僅消耗約1050萬磅。順便說一下，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)品中鉛對環(huán)境的預期危害是RoHS立法行動背后的推動力。人們擔心鉛會成為地下水的污染物。但許多善意的人忽略了一個重要事實：元素鉛不溶于水。其他消息來源同意：“鉛不會在環(huán)境中分解。一旦鉛落到土壤上，它通常會粘在土壤顆粒上。當在明火回收操作中燃燒時，人們擔心如果吸入鉛會產(chǎn)生有毒蒸氣。來自美國宇航局，事實是：

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，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，沒有證據(jù)表明電子產(chǎn)品中的鉛會帶來健康風險或造成環(huán)境危害。然而，許多提出的無鉛解決方案確實會帶來環(huán)境問題，許多解決方案對環(huán)境的影響要嚴重得多。

無鉛電子產(chǎn)品選項

向無鉛產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變意味著電子行業(yè)必須開發(fā)與這些焊料兼容的無鉛焊料和端子表面處理。嘗試了許多不同的無鉛合金和一些非常復雜的二元、三元和四元合金。這些合金價格昂貴且難以使用。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題。轉(zhuǎn)換為無鉛電子產(chǎn)品存在許多嚴重的問題，但我今天不會對所有這些問題進行抨擊。但是，有兩種解決方案值得一提。

純錫（Sn）價格低廉且易于獲得，沒有化學危險，并且易于使用。與亮錫或小顆粒錫相比，當今大多數(shù)無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期問題：胡須。它們會隨著時間的推移而形成，隨機生長，最終可能導致短路或更糟。胡須在地面上生長相當緩慢，但在高海拔地區(qū)生長得更快。有一些緩解技術(shù)，我將暫時討論。

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

在考慮組件的表面處理時，評估最終所需的可靠性與風險也很重要。在馬里蘭大學高級生命周期工程中心（CALCE）舉行的2010年錫須國際研討會上發(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險水平：7

I級：產(chǎn)品的預期現(xiàn)場壽命少于五年。

二級：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或更換，則故障可能是可以容忍的。

三級：產(chǎn)品必須超可靠;沒有簡單的方法來修理或更換必須具有較長計劃使用壽命的組件/子組件。

制造問題和意外

當然，當電子行業(yè)采取行動消除鉛問題時，就像錫須效應一樣。盡管如此，也有一些完全的驚喜。

電子制造工程師知道，如果他們在組裝中混合使用含鉛和無鉛零件，他們將不得不使用兩次通過焊錫機。是的，一個問題，但并不奇怪。然而， 當薄 PCB 在無鉛焊料所需的較高溫度下下垂時，他們感到驚訝.他們已經(jīng)承認錫須的可能性，這仍然是一個主要問題。但他們并不總是考慮更高的溫度通過產(chǎn)生的額外熱負荷和通過回流焊硬件的循環(huán)次數(shù)。

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

最后，衛(wèi)星長出胡須的速度非常快。（回想一下，海拔越高，晶須形成得越快。因此，各個衛(wèi)星機構(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，我要指出一個顯而易見的事實：減緩不是消除。它只是嚴重程度的降低。錫須仍然會生長。事實上，許多金屬，包括鋅、鎘、銦、銀、鋁、金，是的，甚至鉛，都會長出晶須。但最具破壞性和最普遍的是錫須，可以長到 10 毫米。

以下是一些降低錫須風險的建議：

不要使用純錫。這似乎很簡單。相反，請使用鉛含量至少為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來驗證所有關(guān)鍵部件的光潔度。

用熱焊浸漬重新修飾純錫飾面零件。Maxim在其所有無鉛器件上均提供此項選件，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密耳的標稱厚度應用時，可以有效防止錫須短路。

保形涂層的優(yōu)點

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

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

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。

它必須保護涂層電路板免受松散的晶須碎屑的影響.

多年來，波音、斯倫貝謝、洛克希德、雷神公司、英國國家物理實驗室、CALCE和美國宇航局等公司對許多類型的保形涂層進行了研究。研究摘要7表2中顯示沒有保形涂層符合上述所有標準。然而，當應用足夠厚時，Arathane涂層似乎很有希望，并且保形涂層確實可以防止短褲的碎屑。最終，沒有涂層是100%有效的，晶須仍然會生長。如果在操作時需要散熱的部件上使用保形涂層，則需要考慮熱效應。如有必要，可能需要對設備進行降額。

結(jié)論

在考慮電子產(chǎn)品的表面處理材料時，SnPb解決方案仍然是最好的，因為工業(yè)界在使用該材料方面擁有更多經(jīng)驗。此外，SnPb已被證明沒有晶須問題，并且在高振動環(huán)境中具有很強的彈性。

NiPdAu是一種合理的替代品，因為它也被證明可以抵抗晶須的形成。然而，NiPdAu對高振動環(huán)境的適用性仍在評估中。它的焊料是溫度較高的焊料，實際上可能比傳統(tǒng)的SnPb焊料延展性差。

當使用含錫飾面時，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解決方案都會增加成本。NiPdAu表面處理在芯片鍵合和封裝之前電鍍到整個引線框架上。（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，可能的熱問題，并且不能完全防止晶須形成。