汽車電子產(chǎn)品錫須測評：大研智造激光焊錫機的關鍵作用

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

隨著電子產(chǎn)品無鉛化進程的不斷推進，以錫及其合金為代表的無鉛焊料在電子行業(yè)得到廣泛應用。然而，這也帶來了新的可靠性問題，其中最為典型的便是“錫須”問題。錫須的危害不容小覷，它可以直接與鄰近導體接觸，進而形成短路，最終造成產(chǎn)品失效。近年來，因錫須問題引發(fā)的產(chǎn)品召回案例屢見不鮮。例如，媒體曾報道某車企旗下高端電動車品牌在行駛過程當中突發(fā)故障，無法繼續(xù)行駛。經(jīng)檢測，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極短路，從而造成逆變器無高壓供電。

鑒于錫須可能引發(fā)的嚴重后果，本文將對無鉛電子器件的錫須現(xiàn)象進行深入的機理分析，并詳細介紹錫須生長試驗及檢驗方法，旨在為無鉛電子元器件的可靠性設計與驗證提供有益參考。同時，大研智造激光錫球焊錫機在汽車電子家電產(chǎn)品的焊接環(huán)節(jié)中，憑借其先進技術，對錫須問題的預防也有著積極作用，后文將詳細闡述。

1.1 錫須定義

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

圖 2 錫須外觀

1.2 錫須的危害

錫須本身具有導電性，因此其最大風險在于極易造成電子產(chǎn)品上相鄰導體之間的短路。對于對可靠性要求極高的汽車電子而言，在產(chǎn)品使用年限內出現(xiàn)錫須問題通常是無法接受的。

1.3 錫須生長機理

一般認為，鍍層內部的壓應力是錫須生長的主要驅動力。具體來說，錫與銅之間相互擴散，會形成金屬間化合物（IMC），這一過程會使錫層內應力迅速增大，促使錫原子沿著晶體邊界擴散，從而產(chǎn)生錫須。壓應力的來源可以是機械應力、熱應力或化學應力。

圖 3 錫須生長機理

1.4 錫須生長影響因素

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

1.5 錫須的預防措施

以下技術可減緩錫須的生長：

1. 使用霧錫：若使用Ni阻擋層，鍍層厚度應在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在焊接過程當中，可以精準控制錫球的落點與用量，對于霧錫工藝的實施具有良好的輔助作用，確保鍍層厚度均勻，符合預防錫須生長的要求。

2. 設置阻擋層：采用Ni或Ag作為阻擋層。該焊錫機的高精度定位系統(tǒng)，可準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可以精確控制合金成分的比例，在焊接時確保Sn合金中Bi元素的含量精準，從材料層面下降錫須生長的可能性。

4. 進行老化處理：如在150℃下處理1小時或者170℃下處理10分鐘。

5. 實施回流焊接 。

2.1 錫須試驗標準

JEDEC固態(tài)技術協(xié)會發(fā)布了關于錫須生長測評的規(guī)范JESD22 - A121.01《錫和錫合金鍍層晶須生長測量的試驗方法》，國際電工委員會IEC也發(fā)布了關于錫須測試的標準IEC 60068 - 2 - 82《電子組件中使用的元件和零件的錫須測試方法》。這些規(guī)范構建了一套錫須測試的最低條件和評估標準，使得工業(yè)界可以在電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程當中對錫須生長特性進行測量與評價，基本滿足常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)的使用需求。由于錫須生長是一個長期的可靠性問題，因此必須明確合適的加速試驗方法及加速因子，才有可能通過短期試驗來評估其長期可靠性。本文綜合上述試驗方法，形成了一套特有的錫須試驗測評體系。

JEDEC規(guī)范中，對試驗環(huán)境、樣品準備、觀察周期等方面都有詳細規(guī)定，例如要求在特定溫濕度條件下對樣品進行長時間觀察。IEC標準則更側重于對不同類型電子元件的錫須測試方法的規(guī)范，確保測試結果的準確性和一致性。

2.2 試驗類型

普遍的錫須試驗通過環(huán)境試驗進行加速模擬，一般通過提高環(huán)境應力來縮短試驗時間。根據(jù)錫須產(chǎn)生機理及應力類型的不同，可將錫須試驗分為以下三類：

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

2. 濕熱錫須：這類錫須的產(chǎn)生是由于Sn氧化產(chǎn)生內應力，需進行溫濕度循環(huán)試驗。在溫濕度不斷變化的過程當中，模擬實際使用環(huán)境中可能出現(xiàn)的潮濕、溫度波動等情況，加速Sn的氧化，進而加速錫須的生長。

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

實際測試時，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，合理組合三種試驗進行晶須測試，具體可參考圖4鍍Sn樣品試驗步驟。

圖 4 鍍 Sn 樣品試驗步驟

2.2.1 溫濕度循環(huán)試驗

溫濕度循環(huán)試驗條件設定為：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）%。按照圖5進行5個循環(huán)，樣品數(shù)量為4PCS，無電壓、無負荷。

圖 5 溫濕度循環(huán)試驗

2.2.2 高溫放置試驗

此試驗條件為：溫度50℃，放置時間4000h，樣品數(shù)量4PCS，無電壓、無負荷。

2.2.3 溫度循環(huán)試驗

試驗條件為：低溫（ - 40 ± 3）℃，高溫（85 ± 3）℃，保持時間取決于樣品溫度達到指定溫度并穩(wěn)定所需時間，溫度轉換時間T2、T4 ＜ 30s，進行1000個循環(huán)；樣品數(shù)量4PCS，無電壓、無負荷。

圖 6 溫度循環(huán)試驗 Sn

3.1 錫須測量設備

1. 光學顯微鏡：需配備充足照明，放大倍數(shù)在100 - 300倍之間，可以測量最小軸向長度為10μm的須晶。其光學系統(tǒng)應具備可在三維空間移動和旋轉的載物臺，以便須晶能垂直于觀察方向進行測量。同時，工作距離范圍應足夠廣，以實現(xiàn)多焦平面觀察。

圖 7 光學顯微鏡測量錫須

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備。其放大倍數(shù)至少為250倍，最好配備可傾斜和旋轉樣品的處理系統(tǒng)，建議使用裝有X射線檢測器的掃描電鏡進行元素鑒定。

圖 8 掃描電子顯微鏡測量錫須

3.2 錫須測量的注意事項

晶須本身極為脆弱，因此在試驗過程當中和試驗后，都應避免產(chǎn)品受到強風、較大機械振動沖擊。操作時需輕拿輕放，嚴禁用手直接觸碰電路板表層，應將樣品存放在干凈無污染的環(huán)境中。試驗結束后，應盡快對樣品進行檢測。

檢測時，優(yōu)先使用掃描電子顯微鏡對樣件可能生長錫須的部位進行初步篩選檢驗。錫須的判定依據(jù)以下標準：

1. 長度與直徑比為2或以上；

2. 長度為10μm或以上。

若初步篩選檢驗未檢測到錫須，則試驗結果符合要求。若檢測到錫須，需使用電子掃描顯微鏡對樣品進行詳細檢驗，記錄高于規(guī)定長度的晶須根數(shù)，測量各部位產(chǎn)生的最長晶須的長度，并對產(chǎn)生晶須的位置拍攝細節(jié)照片和整體照片。

圖 9 晶須長度測量示例

3.3 錫須長度的測量

由于錫須形態(tài)各異，晶須長度的測量定義為從表層到晶須上最遠點的直線距離（即包含晶須且中心位于出現(xiàn)點的球體的半徑），如圖9所示。測量時，應旋轉試樣，使晶須的源和最遠點出現(xiàn)在觀察平面內，如圖10所示。

圖 10 晶須長度測量

3.4 錫須的評估

3.4.1 晶須長度的評估標準

與晶須相關的主要風險是在兩個獨立的導電表層之間形成電連接，即通常所說的短路。因此，晶須形成短路的風險僅與電子或電路中導電表層的接近程度有關。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

錫須長度閾值的判定方法如下：

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

2. 晶須的最大長度，應在設備發(fā)生短路得到的最短部位長度以下。

3.4.2 晶須密度的評估標準

晶須密度即單位面積的晶須數(shù)量，目前并無證據(jù)表明晶須密度、最終表層上晶須密度的均勻性與晶須長度之間存在任何相關性，因此晶須密度與晶須帶來的風險并無關聯(lián)，無需根據(jù)晶須密度建立評估驗收標準。

4 試驗應用案例

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。針對該產(chǎn)品策劃錫須生長試驗，依據(jù)試驗步驟，先進行溫濕度循環(huán)試驗，再進行50℃放置試驗，試驗條件與前文所述一致。試驗結束后，使用顯微鏡對樣品可能生長錫須的部位進行初步篩選檢驗，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行詳細檢驗，檢測到錫須并測量了錫須的長度，如圖12、13所示。

圖 12 電阻上的錫須

圖 13 電容上的錫須

通過上述觀察，發(fā)現(xiàn)該車身控制器存在錫須生長問題，這在產(chǎn)品使用過程當中極有可能造成功能失效等嚴重后果，必須引起高度重視。若在該產(chǎn)品生產(chǎn)過程當中，使用大研智造激光錫球焊錫機，利用其在控制鍍層厚度、精準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，或許可以有效避免錫須生長問題。例如，通過精確控制錫球落點與用量，確保霧錫鍍層厚度均勻，下降因鍍層問題造成的錫須生長風險；利用高精度定位系統(tǒng)準確放置阻擋層材料，增強對錫須產(chǎn)生的抑制作用；精準控制合金成分比例，從材料本質上減少錫須生長的可能性。

隨著汽車電子家電產(chǎn)品向無鉛化和高度精密化發(fā)展，錫須生長問題對其可靠性構成了嚴峻挑戰(zhàn)。錫須通常在幾年至十幾年后出現(xiàn)，其生長可能引發(fā)嚴重的失效問題。因此，積極開展溫濕度循環(huán)試驗、高溫放置試驗、溫度循環(huán)試驗等環(huán)境組合試驗，以驗證產(chǎn)品的錫須生長情況，并研究出科學可行的測量和評估方法至關重要。同時，像大研智造激光錫球焊錫機這樣的先進設備，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對錫須問題的預防具有重要意義。通過合理運用先進設備與科學的試驗評估方法，可以更好地保障汽車電子家電產(chǎn)品的可靠性，推動汽車電子行業(yè)的健康發(fā)展。

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