元件电镀锡须现象产生原因及解决方法

由于环保要求，全球开始进行产品无铅话的制程，而无铅化的实施对现有的产品的品质与可靠性产生重大影响，其中一个最重要的问题就是锡须问题。锡须的问题在很早的时候就有提出，不过之前的元件电镀Sn-Pb，并没有锡须的问题产生。但从元件电镀Sn-Pd转换成Sn、Sn-Bi或Sn-Cu后就衍生出锡须问题。锡须在室温下会发生生长，过长的锡须会造成线路短路，会导致产品功能的失效。如何有效的解决这个问题呢？唯有愈了解锡须的成长机制，才能提出改善对策。

锡须产生的原理：

锡须成长简单来说就是一种应力释放的现象。就现在的研究结果来看，应力的形式简单可以分为三种应力类型：机械应力、热应力、化学应力；其中化学应力是造成锡须自发性成长的最重要原因。

1、机械应力

机械应力的产生通常是外来的，尤其是压缩性的机械应力，更容易加速锡须的生长。例如连接器与软性印刷电路板FPC连接时，大部分都是以连接器夹持FPC 引脚的方式，此时软性印刷电路板FPC上的金属引脚即会收到来自连接器内金属端子的夹持压力。很容易发现软性印刷电路板上金属pin受压力的边缘处发现锡须的现象。

2、热应力

热应力指产品遭受高、低温度变化时，相结合之两材料因膨胀系数的不同所产生的压缩或拉张力。Sn的膨胀系数比Cu高，因此于制程中经常由回流焊后回到室温时，Sn镀层实际是承受到Cu底材牵制产生之拉张力，但仍可发现锡须之发生。其原因可能是化学应力之自发性锡须成长应力远大于热应力，及镀层中任何不均匀性造成之局部性压缩应力。

3、化学应力

以现今最常见的Cu底材金属脚为例，化学应力的主要来源，就是Sn和Cu产生介面金属合金IMC的反应。一般情况，于室温下Cu原子便会自然地扩散进入Sn产生Cu6Sn5介面金属合金IMC，此介于Sn和Cu之间Cu6Sn5介面金属合金IMC将形成一股推力，由底部把Sn和Cu产生介金属的反应于室温就可以进行，所以此产生介金属的反应将不断地发生，也就不断地提供化学应力，迫使Sn层收到推挤的应力。此时，若Sn表面有氧化层时，便可以阻挡Sn向外延伸的空间，但一旦氧化层有出现裂纹时，Sn便会从缝隙中被推挤而出形成锡须。

锡须观察的试验方法和比较：

常见的锡须试验方法是通过环境试验进行加速interwetten与威廉的赔率体系 ，目前做得最多的方法是以下几种：

1，高温高湿时锡须生长曲线

2，冷热冲击时锡须生长曲线

3，室温时锡须生长曲线

4，施加纵向压力时锡须生长曲线

从下图曲线可以看出，高温高湿是最理想的试验项目，其次是冷热冲击模拟测试。

锡须建议解决方法：

1、镀层工艺的改进，在Cu上镀镍，镍上镀钯，钯上镀金，主要在形成Cu扩散的障碍层，避免Cu直接和Sn经化学反应生成Cu5Sn6介面金属合金IMC，产生应力。

2、镀较厚的Sn层，厚度约8-12um，如此于表面的Sn面收到下方因Sn、Cu翻译传送而来的应力相对会变小。应力一边小，相对的Sn表面就比较不容易长锡须。

3、于电镀前后进行退火热处理，一般退火处理条件可以是150度/1~2小时，退火之目的及效果有消除加工应力，IMC厚度变均匀，防止再结晶或晶粒长大。

4、镀雾面锡，雾面锡表面有较大之晶粒（~5um）（亮锡晶粒~0.2um），又锡须一般直径与表面晶粒相近，故虽然镀雾面锡可能无法阻止锡须成长，但锡须不会很长，比较不容易造成产品的短路失效。

责任编辑：tzh