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摘要：通過掃描電鏡觀察，研究不同處理工藝中電子元件引線框架表面Sn—Cu電鍍層上錫須的形成與長大，結(jié)果顯示，高溫高濕處理易于促使錫須的形成與長大，經(jīng)過一定的時(shí)間后，錫須生長速度減緩；循環(huán)熱處理或室溫處理對錫須的形成影響較小；當(dāng)施加恒定外應(yīng)力后進(jìn)行室溫處理，錫須的形成完全受到抑制。錫須的形成與長大是由于電鍍層中存在壓應(yīng)力，壓應(yīng)力促使鍍層中錫發(fā)生再結(jié)晶并長大成錫須。
關(guān)鍵詞：無鉛電鍍；錫須；熱處理；壓應(yīng)力
由于環(huán)境保護(hù)的影響，歐盟要求所有進(jìn)入該市場的電子電器產(chǎn)品必須滿足無鉛化，這使得電子產(chǎn)品的無鉛制程受到生產(chǎn)廠家越來越多的關(guān)注。盡管許多的研究表明無鉛組裝是可行的，而且有某些有利的特點(diǎn)，但在無鉛制程中，有許多問題需要解決，其中錫須的影響是關(guān)鍵問題之一。錫須是鍍層表面自發(fā)生長而延長的錫單晶體，其尺寸較小，低倍下無法觀察到，而只能借助高倍儀器如掃描電子顯微鏡才能發(fā)現(xiàn)。錫須的直徑大約一到三個(gè)微米，長度從幾個(gè)微米到幾百個(gè)微米不等，形狀多樣，如直線狀、彎曲形、開叉等J，。錫須有驚人的高電流負(fù)載
能力，通常為10mA，最大可達(dá)50mA，這樣的電流對電子集成電路來說是致命的。1998年美國銀河4號衛(wèi)星，由于其內(nèi)部電路中錫須短路導(dǎo)致其功能失效。基于錫須對電子電器產(chǎn)品的巨大威脅，人們對其機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究J，然而對影響無鉛鍍層上錫須的產(chǎn)生環(huán)境因素卻研究得比較少。本文模擬筆記本電腦中電子元件的實(shí)際工作環(huán)境，研究了溫度及濕度等因素對電子元件引線框架表面無鉛Sn—Cu電鍍層上錫須的形成與長大影響。
1試驗(yàn)方法
通過電鍍工藝，在電子元件引線框架表面的銅箔(銅箔尺寸為
2試驗(yàn)結(jié)果
通過SEM觀察分析顯示如圖1、圖2所示。試樣1#在高溫高濕環(huán)境中處理，錫須生長比較明顯，錫須呈棒狀。經(jīng)過240h保溫處理后，錫須的平均長度為1μm，如圖2(b)所示；經(jīng)過2400h后，錫須的平均長度達(dá)到了21μm，如圖2(c)所示；進(jìn)一步延長處理時(shí)間，錫須生長速度變慢，如經(jīng)過3600h處理后，錫須的平均長度為23μm，表明在高溫高濕環(huán)境中，錫須易于生長，但經(jīng)過一定時(shí)間處理后，錫須生長速度變緩。
對經(jīng)過循環(huán)熱處理的樣品觀察顯示，錫須的生長速度與平均長度明顯低于高溫高濕處理，經(jīng)過2400次熱循環(huán)(相當(dāng)于240Oh)后，錫須的平均長度也只有3μm左右，如圖2(d)所示。表明循環(huán)熱處理并不明顯促進(jìn)鍍層上錫須的生長。通過對試樣1#與2#的進(jìn)一步觀察顯示，錫須呈棒狀，在錫須根部的周圍鍍層中發(fā)現(xiàn)存在裂紋，如圖2(b)、圖2(d)所示。
試樣經(jīng)過3600h的室溫處理后，錫須以胞狀形式顯示，最大長度不超過1μm，如圖2(e)所示。但當(dāng)沿試樣縱向施加10N的恒定外力并進(jìn)行室溫處理后，鍍層表面并沒發(fā)現(xiàn)錫須存在，如圖2(f)所示。表明進(jìn)一步施加外力作用后，室溫下鍍層上錫須的形成受到抑制。
對經(jīng)過2400h處理后的1#試樣，采用微蝕的方法把Sn—Cu鍍層蝕掉后，發(fā)現(xiàn)球狀顆粒如圖3(a)、圖3(b)所示。能譜分析顯示，這些顆粒物為CuSn相。對同樣處理的試樣進(jìn)行切片試驗(yàn)顯示，銅箔與鍍層的界面為cusn相金屬間化合物層，該層呈凹凸?fàn)睿?/SPAN>cusn相嵌入鍍層顆粒的晶界中。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看到，銅箔鍍上共晶sn—cu合金后，熱處理工藝對鍍層上錫須的形成有很大影響。圖3顯示1#試樣鍍層與基體之間的界面層呈凹凸?fàn)睿?/SPAN>cusn相嵌入鍍層的晶界中，銅的擴(kuò)散與CuSn層的形成在鍍層中產(chǎn)生壓應(yīng)力并累積，壓應(yīng)力促使電鍍層中錫發(fā)生再結(jié)晶，形成錫須，這可以用圖4來進(jìn)行說明。錫須生長沖破表層的氧化層，并繼續(xù)長大，壓應(yīng)力逐漸得到釋放。
3討論
從圖1及圖2中看到，電子元件的工作環(huán)境對錫須的形成和生長有很大的影響。高溫高濕環(huán)境下有利于錫須的形成與長大，而高低溫循環(huán)以及室溫處理時(shí)，錫須不易生長。當(dāng)施加恒定外力時(shí)，錫須的形成完全受到抑制，這是由于外力的作用導(dǎo)致鍍層產(chǎn)生開裂，如圖2(f)所示。鍍層中壓應(yīng)力得以釋放，錫的再結(jié)晶受到阻礙，從而使得錫須的形成與生長受到抑制。
有許多因素促使錫須的形成生長，其中壓應(yīng)力是較為普遍的生長機(jī)理模型。壓應(yīng)力來源于基材本身、電沉積底層以及電沉積錫。在本實(shí)驗(yàn)中，壓應(yīng)力主要來自電鍍時(shí)的電沉積。無論以何種方式存在，壓應(yīng)力無疑是錫須生成的催化劑。而應(yīng)力消除是錫須生長的主要促發(fā)劑。電沉積錫本身通常含有微小的張應(yīng)力，而基材的應(yīng)力消除引起了壓應(yīng)力。壓應(yīng)力主要產(chǎn)生于機(jī)械操作(基材沖壓或切斷、電鍍錫后的處理)和擴(kuò)散(結(jié)晶容積擴(kuò)散、晶粒邊緣擴(kuò)散、金屬相間擴(kuò)散))。由于在切斷過程中基體產(chǎn)生應(yīng)力或缺陷、錯(cuò)位促使錫擴(kuò)散更容易發(fā)生，所以相對于元件本身，沖壓材料的橫斷邊緣更易形成錫須。
從圖3看出，在銅表面上電鍍共晶錫銅合金后，在鍍層與銅基體界面層上有cusn金屬間化合物。金屬間化合物的形成對錫須的影響已經(jīng)被廣泛研究認(rèn)同。實(shí)際上，通常銅基材最具有代表性。在這種基材的樣品元件上，鍍層中錫進(jìn)入銅基材的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銅進(jìn)入鍍層的速度。銅元素?cái)U(kuò)散到錫的晶粒邊緣形成了張應(yīng)力區(qū)域，由張應(yīng)力形成的張力導(dǎo)致錫層內(nèi)部壓應(yīng)力的產(chǎn)生。正是這些化合物與基體的相互作用促進(jìn)了錫須的生長。
基材元素向鍍錫層的擴(kuò)散完全是由鍍錫晶粒本身的結(jié)構(gòu)所決定的，所以晶粒的結(jié)構(gòu)對錫須生成也有一定的作用。晶粒的邊緣被認(rèn)為是鍍層的缺陷。在恒溫條件下，晶粒邊緣沿著缺陷軌跡擴(kuò)散是擴(kuò)散的主要形式。缺陷越多，擴(kuò)散的機(jī)率就越大。
由于平滑的晶粒顆粒越小，單位面積上的邊緣數(shù)量就越多，平滑的電沉積晶粒便有更多的缺陷。所以在平滑的晶粒結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散更容易發(fā)生。錫結(jié)晶的取向?qū)﹀a須的生長也有一定的影響。通過x光衍射測量，觀察到生長錫須的晶粒取向不同于鍍層中錫晶粒的正常取向，錫須晶粒的優(yōu)先取向?yàn)?/SPAN>(211)，而正常的錫晶粒的特性優(yōu)先取向?yàn)?/SPAN>(220)。錫元素特性優(yōu)先取向的應(yīng)力相為零，且不隨時(shí)間的增加而改變。所以理論上(220)取向?qū)﹀a須有一定的抑制作用。
另外，文獻(xiàn)認(rèn)為，當(dāng)鍍層中合金的晶粒尺寸在
4結(jié)論
銅箔上鍍共晶sn—cu合金后，熱處理工藝對鍍層上錫須的形成與生長有很大影響。高溫高濕易于促使錫須形成與長大，經(jīng)過3600h處理后，平均長度達(dá)
