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车用电子锡须生长、允收与抑制
  2024-05-28      147

        作者:陈彦奇, DEKRA 德凯昆山


汽车电子或轨道交通应用场域较复杂,应力下的金属晶须生长将影响器件与系统的可靠性。

具弹性但脆弱的金属晶须生长与断裂,会影响细间距的器件电气性能。


金属晶须图集- 锡 (Sn)、镉 (Cd)、锌 (Zn) 、铟(In)等金属晶须风险

左图:节录自网络 NASA NEPP于2021/6/14~27 专题研讨会上报告。

右图:节录自 现代起亚 MS915-03 电子控制器外壳的锌晶须测试与检测规范。

JP002:说明可在镉、铟 和 锌中可观察到类似的晶须。

正确分辨锡晶须(Tin Whisker)的形貌- 节录自 JESD22-A121A

晶须的特征:天然生长的柱状或圆柱形细丝,通常是单晶体(monocrystalline)金属,从表面处理的表面长出。纵横比(长/宽)大于 2;可以是绞缠的、弯曲的或扭曲的;通常具有统一的横截面形状;通常由一根很少分枝的柱状细丝组成;可能沿着柱的长度和/或环绕柱子的周长有条纹状。

锡晶须的形貌观察与量测方式

  


藉由微观观察与能谱分析,可以辨别晶须的种类。

依据JESD22-A121A对锡须的定义,能正确判断与量测锡晶须来辨别可靠性风险。


X光、光学显微镜与电子显微镜下锡晶须的观察

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因为光学(含立体)显微镜景深小, 无法清晰呈现整根锡须形貌并进行尺寸量测。另,光学显微镜也不满足JESD22-121A附录B.1晶须检测能力10um锡须的观察要求。


光学立体显微镜与电子显微镜对锡晶须观察比较

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       光学显微镜低倍率无法观察短锡须,高倍率则因景深小或无法清晰呈现整根锡须长度(如上3张彩图)

       电子显微镜景深大, 可以较完整呈现整根锡须的形貌(如下3张灰阶图)。

       AEC-Q005引用JESD201A,2级(商业关键性应用:汽车) 锡须允收长度为40um或45um(表5a)。



车用电子元件锡晶须验证所对应的规范(生长、量测方法与缓解)

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第一份:AEC - Q005 - REV-A June 1, 2010, 无铅测试要求- 3.4 锡晶须可接受性测试(用户有责任确认和批准所有证实符合本文件的鉴定数据)

第二份:JESD22-A121A, 2019年9月重申(2005), 在锡和锡合金表面处理上量测锡晶须生长的测试方法

第三份:JESD201A, 2020年1月重申(2008), 对锡和锡合金表面处理的锡晶须敏感性的环境可接受性要求

第四份:JP002, 2016年9 月重申(2006), 当前的锡晶须理论和缓解实践指南

AEC-Q005 无铅测试- 表面处理



由于锡晶须的风险,非锡基表面处理可能是首选。

可焊性性能偏好(雾)锡镀层(Matte Tin)。

禁用锡铜合金表面处理。

左图:节录自JESD201A 

右图:节录自Modern Electroplating, 5th Edition, Wiley

AEC-Q005 锡晶须可接受性测试

应当符合 JESD201 的要求

AEC-Q005 附加要求

测试样品:使用具代表性的无铅表面处理的实际封装构造和表面处理技术,包括电镀工艺后发生的任何修整和成型操作(这些操作的外部应力会导致锡最极端的变形)。

样品预处理 - 电路板贴装:禁止使用焊接操作将焊料合金或贴装测试样品到印刷电路板上。(只做元件单体)

晶须可接受性测试条件的验证:如果在温度循环或高温/高湿存储(55°C ±3°C 和 85% ±3% RH)测试条件下所要求的测试时间内,未在测试样品上检测到晶须生长,必须提供产生晶须生长能力数据的证明(例如,额外的样品、试样等),来验证所使用的测试条件。

可接受性标准 - 如果所有测试样品均符合 JESD201 中定义的 2级要求或用户与供应商协商确定(AABUS)的标准,则元件将被定义为通过了锡晶须可接受性测试。

3级:任务/生命关键的应用,例如军事、航空航天和医疗应用。

2级:商业关键型的应用,例如电信基础设施设备、高端服务器、汽车等。

1级:工业/消费品。

结果报告 - 提交符合 JESD201 的锡晶须可接受性测试报告和详细结果。含样品的详细封装构造(例如, 引线间距、引线数量、引线形式等)


JESD22-A121A, 在锡和锡合金表面处理上量测锡晶须生长的测试方法

JESD22-A121A不是鉴定标准。

JESD22-A121A是一套推荐的锡晶须生长测试,提供一套用于测量和比较不同电镀或(表面)处理化学和工艺的锡晶须倾向的标准化测试套件。

基于来自全球的各种测试和数据审查,已经确定了两个受控湿度的等温条件和一个热循环条件,似乎适合监测锡晶须生长的测试条件。 但这些测试条件与使用中的元件长期暴露的环境不相关。

无法根据本文件所述的短期测试中测量的长度来定量预估长时间内的锡晶须长度。

JEDEC 标准 JESD201 中提供了商业锡(表面)处理的所有可接受性要求。

军事或航空航天,可能需要额外和/或不同的锡晶须测试或评估。

提供标准的报告格式。


锡晶须观察可用的设备

1.光学立体显微镜(可选):具有充足照明的光学立体显微镜,能够放大 50X 至 150X 并能够检测最小长度为 10 微米的晶须。可以垂直于观察方向定位来进行晶须测量。

2.光学显微镜(可选):具有充足照明的光学显微镜,能够放大 100X 到 300X 并能够测量最小长度为 10

微米的晶须。可以垂直于观察方向定位来进行晶须测量。

3.上述光学检测设备的能力和相关的光学过程,必须根据JESD22-A121A B.1、B.2 和 B.3 使用经 SEM

检查和表征的参考样品进行验证通过。

4.附录B.1              晶须检测能力:用于检测的光学系统必须能够检测到最小 10 微米的晶须长度。

5.附录B.2              晶须长度测量能力:应当在晶须长度为 10 至 50 微米,最少数量应当为 30根的样品上与SEM

进行比较验证。特定晶须的最大晶须长度与 SEM 中的测量值相差不到 10 微米。

6.附录B.3              晶须密度测量能力:光学系统测得的晶须密度在 SEM 测得的 20% 以内。

7.扫描电子显微镜:能够放大至少 250 倍的扫描电子显微镜 (SEM)。推荐使用配备有 X 射线检测器的

SEM 进行元素识别。

8.对流再流焊炉(可选):能够达到再流焊曲线要求的对流再流焊系统。


JESD22-A121A, 锡晶须生长- 测试条件(其余条件参照JESD201A)

JESD22-A121表4定义的测试条件与JESD201A中表4a(工艺学,长时验证)/4b(制造工艺变更,短时验证)一致。




JESD201A定义中,车用电子元件属于2级(Class)产品。


JESD22-A121A, 在锡和锡合金表面处理上量测锡须生长的测试方法

晶须检查和长度测量

1.初始预测试检查,筛选检查,以及详细检查

2.返回测试条件:每次读取时都检查相同的测试样品,不得沉积导电溅镀涂层(201A, 5.3.4)

3.不返回测试条件:每次读取时都检查不相同的测试样品,可以使用导电涂层来减少样品充电

4.应该特别注意腐蚀、表面划痕、工具/夹紧痕迹、冲孔或剪切操作产生的边缘和表面、热影响区或焊料与镀层表面边界

5.若在筛选检查期间未检测到晶须,则不需要在该读取点进行详细检查。

6.若在筛选检查期间有检测到锡须,则应当识别出至少 18 个似乎具有最长锡须的区域来进行详细检查。

7.进行详细检查的每个样品应当检查3 个端子以及最少6个多引线元件(3*6共18个端子),具有 4 根或更少引线的 9个无源/分立元件(2*9共18个端子) 。应当使用 250X 最小放大倍数SEM 检查,应当使用 50X 的最小放大倍数光学系统。

8.对于晶须长度测量本身,让被测量的晶须在选定的放大倍率下大致填满视野。晶须长度测量应该大致垂直于 SEM 和光学显微镜的观察方向。



JESD22-A121A 引线(图二)与无引线(图三)的元件的锡晶须检查位置与长度量测示意图(图五) 。

JESD201A 锡晶须长度量测要求(图三)与JESD22-A121A一致。

引线修整或成型过程中的应力导致锡须的生长。

JESD201A, 对锡和锡合金表面处理的锡晶须敏感性的环境可接受性要求




JP002, 当前的锡晶须理论和缓解实践指南

晶须:一种自发的柱状或圆柱形细丝,通常由单晶金属制成,从处理的表面散发出来。

晶须生长:晶须长度和/或晶须密度的可测量变化。

锡须缓解实践:在元件制造期间执行的工艺,利用把表面处理内部压缩应力减到最低的程度(或中断) 来降低锡晶须生长的倾向。

雾锡:具有较低内应力和较大晶粒尺寸(通常为 1μm 或更大)且碳含量低于 0.050%的锡膜。

亮锡:具有较高内应力和较小晶粒尺寸为0.5μm至0.8μm,碳含量为0.2%至1.0%的锡膜。

底镀层(Underlay/ Underplate):基材金属和锡处理之间的电镀阻障层。

JP002提供的信息是指在铜基材引线框架材料上的100%锡镀层。除非另有说明,否则JP002仅涉及雾锡表面。

压缩应力源自金属间化合物的形成,薄膜表面的氧化反应,温度循环,和某些种类的恒定机械夹紧力。

当锡镀在铜基材上时,在室内环境条件下Cu6Sn5 金属间化合物是不规则生长且发生的相当快,这可能是导致晶须形成的应力的主要原因之一 。

CTE 失配引起的应力 。当基材材料(例如铁镍合金 42)具有低 CTE 时,这些尤其重要。 JESD201A中温度循环条件,实为是使用两箱热冲击进行(温度转换时间为10秒钟) 。

与产品相关的任何机械应力都可能在晶须形成中起作用。这可能包括锡层中由于与特定产品相关的组装负载条件而导致的应力。


JP002, 当前的锡晶须理论和缓解实践指南- 机械应力与电镀层

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JP002, 当前的锡晶须理论和缓解实践指南

扩散下 Cu6Sn5 形成的影响

1.铜向锡的扩散通过晶界扩散进行并形成金属间化合物。在室温下,主要金属间化合物是 Cu6Sn5 ,晶界扩散明显快于体扩散。这导致在锡的晶界中 Cu6Sn5 的不规则生长。

2.在 Cu-Sn 金属间化合物内部和周围和 Sn(Cu-Sn-to-Sn 界面)与锡膜中的存在压缩应力。如果将六份铜与五份锡混合,生成的 Cu6Sn5 具有比形成它的锡和铜有更大的摩尔体积;在其内部会在 Cu-Sn-to-

Sn 界面处导致压缩应力。或铜渗入锡膜中的锡晶格点位并在底层铜中留下开放空间,那么整个反应将导致 Cu-Sn-to-Sn 界面里与周围的体积增加。这也作为锡的压缩层。此外,在较低温度下, Cu6Sn5相的生长主要由晶界扩散控制。因此,锡晶粒和 Cu6Sn5 相之间的界面是非平面的。

杂质

1.镀槽中的杂质和其他缺陷似乎也可能增加晶须形成的可能性。但铜和碳似乎是使锡膜应力越来越压缩的杂质。

氧化物的形成和湿度

1.高湿度会影响锡层上氧化膜的厚度,从而导致压缩应力 。氧化膜中的杂质或缺陷也可能导致晶须形成。高湿度可能导致腐蚀,这可能会引入额外的应力。这些测试条件与实际现场寿命的关系是未知的。

冷凝和腐蚀

1.冷凝水气暴露,无论是在高温湿度测试期间通过水冷凝还是通过水滴暴露,都可能导致腐蚀辅助晶须生长。

2.过度的局部表面腐蚀会产生不均匀的氧化物生长,在锡膜上施加额外的不同应力状态。


JP002, 当前的锡晶须理论和缓解实践指南 Cu6Sn5


JP002, 当前的锡晶须理论和缓解实践指南

以下多种方式可以在锡膜中产生压缩应力

锡基界面的金属间化合物生长。

“均匀”的表面氧化膜,可能会在锡中产生局部表面压缩。

由锡内的“严重”腐蚀(例如“黑点腐蚀”)产生的副产品的扩展  


使用任何缓解措施时都应该了解。验证潜在晶须生长对系统长期可靠性的影响的责任是最终用户。

无镀锡

1.无镀锡,例如镍/钯/金、镍/金或镍/钯,没有锡晶须问题,应该考虑用于引线框架应用。

镀锡合金

1.添加铅(Pb) 在 2006 年 7 月 1 日之后,在镀锡 (Sn) 层中添加铅 (Pb) 不再是大多数产品的可行策略。这是由于欧盟、美国和中国的法规。应该注意的是,即使使用铅也不能 100% 保证不会形成晶须。

2.锡铋合金处理 当添加到锡中 2-4% 的重量百分比时,铋可能有助于抑制晶须的生长 。

3.镀锡银 镀锡银(2-4% 银)合金已显示出减少锡晶须生长的前景。

衬垫材料 如果压缩应力诱发机制起源于锡-基板界面,则衬垫可能有效地缓解形成和生长。

1.镍 在镀锡和铜 (Cu) 基材之间添加镍 (Ni) 衬垫可以通过形成阻止铜扩散到锡中的阻障来缓解晶须的形成。

2.银 使用银底镀层元件的最小银厚度应该为 2μm。然而,支持银衬底作为晶须缓解的有效性的晶须测试数据有限。

热处理

1.熔融锡镀层 在电镀后马上熔融锡 (Sn) 镀层可以缓解晶须的形成。

2.印刷电路板组装工艺中的再流 作为印刷电路板组装工艺的一部分,尚未被证明是一种有效的缓解措施。

3.雾锡退火 在电镀后对铜基引线框架在 150°C 下进行 1 小时的热处理减缓不规则金属间化合物生长。


使用任何缓解措施时都应该了解。验证潜在晶须生长对系统长期可靠性的影响的责任是最终用户。

热浸锡 用 SnAg4 或 SnAgCu 热浸通常是一种有效的缓解措施并且被认为是无晶须的。

较厚的锡表面处理 较厚的锡表面处理显示出较低的锡晶须倾向和/或在锡晶须出现之前有较长的孵育时间。建议没有镍或银衬底的元件的锡厚度最小为 7 μm,标称值为 10 μm。

化学蚀刻铜合金 铜基合金电镀之前的表面化学蚀刻已显示出当蚀刻深度在 3 到 4 μm 范围内时,有减少锡晶须生长的好兆头 。

敷形涂覆 较厚的涂覆 (≥3.9 mils) 已被证明可防止或延迟晶须穿透,而较薄的涂覆可作为可能在组装中断裂的晶须的介电层。

表面处理和表面考虑 不推荐在使用寿命期间具有压缩性的锡镀层。

1.张力应力锡膜 不推荐在使用寿命期间具有压缩性的锡镀层(亮锡)

2.合金 42 引线框架 合金 42 是铁和镍 (42%) 的合金,在环境条件与给定一个控制良好的镀锡工艺下,基材中无不规则性(例如毛刺、锐边)时似乎很少有晶须形成的实例。

锡铜合金 锡铜合金的表面处理并不令人满意,因为当铜作为合金元素包含在镀锡中时,铜会促进晶须的形成和生长。


JP002, 当前的锡晶须理论和缓解实践指南-敷形涂覆


锡晶须缓解总结


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