錫銀銅錫膏SAC305在腐蝕環(huán)境的錫須生長-福英達(dá)焊錫膏
錫銀銅錫膏SAC305在腐蝕環(huán)境的錫須生長
有時(shí)候能在SMT器件引腳焊點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)白色須狀物。這種情況很可能是因?yàn)橐_上出現(xiàn)了錫須生長情況。錫須的出現(xiàn)可能會(huì)帶來短路問題。錫須是在含錫焊料內(nèi)部自然出現(xiàn)的現(xiàn)象。SAC305錫膏中的錫含量達(dá)到了96.5wt%，如此高的錫含量或多或少會(huì)帶來錫須的生長。影響錫須生成的根本因素是焊點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力的積累。例如當(dāng)元器件暴露在高濕度環(huán)境下的時(shí)候容易被水汽腐蝕，并在錫層內(nèi)部形成應(yīng)力，導(dǎo)致錫須的出現(xiàn)。由于電子產(chǎn)品有時(shí)不可避免的要暴露在腐蝕性環(huán)境中，因此對(duì)于錫須在腐蝕條件下的生長機(jī)理研究非常有必要。
Illes和Horvath在沉錫FR4板上進(jìn)行了SAC305錫膏焊點(diǎn)雙85測試(85℃/85%RH)，測試時(shí)間為3000h。錫膏通過印刷方式涂覆在板上。并且板上貼裝了0805電阻器。此外Illes和Horvath還將SAC305與另外兩個(gè)錫膏進(jìn)行對(duì)比 (表1)。
表1. 錫膏合金成分。
在雙85測試3000h后，可以觀察到SAC305焊點(diǎn)上出現(xiàn)了結(jié)節(jié)型錫須。在測試時(shí)間達(dá)到1000小時(shí)之前SAC305錫膏未發(fā)現(xiàn)錫須，但隨著時(shí)間增加錫須開始出現(xiàn)并增多，且呈現(xiàn)單調(diào)上升的趨勢。與mSAC1和mSAC2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，SAC305最終的平均錫須密度介于它們之間。在1500-2500小時(shí)之間三者的平均錫須密度差距很小。此外，mSAC1和mSAC2錫須密度也隨測試時(shí)間增加呈現(xiàn)了單調(diào)上升趨勢，但mSAC2增長趨勢較快，并未出現(xiàn)放緩趨勢。
圖1. 雙85測試后的平均錫須密度和長度， 上: 錫須密度; 下: 錫須長度。
SAC305最終的平均錫錫須長度介于mSAC1和mSAC2之間，達(dá)到了24μm，但遠(yuǎn)小于mSAC1。因此可以知道SAC305錫膏和mSAC1晶須抗性更強(qiáng)。為了對(duì)比不同濕度下的錫須生成情況，Illes和Horvath還將測試版放置到85℃/20%RH的環(huán)境中進(jìn)行錫須測試。結(jié)論是當(dāng)濕度降低到20%RH時(shí)，錫須并未出現(xiàn)。
焊點(diǎn)受到腐蝕后過量的Sn原子在Sn層中受到推擠，并產(chǎn)生局部應(yīng)力和過量應(yīng)變能。具體表現(xiàn)在焊點(diǎn)在腐蝕氧化后在表面會(huì)生成SnOx氧化層。氧化層的形成會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)出現(xiàn)體積膨脹并產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。Illes和Horvath觀察到SAC305晶須下的腐蝕區(qū)域比mSAC2晶須下的小得多。由于腐蝕區(qū)域較小，在SAC305焊點(diǎn)中的應(yīng)力要更小，形成的錫須數(shù)量也較少。
圖2. SAC305和mSAC2腐蝕程度。
圖3. 雙85測試后SAC305腐蝕區(qū)域的TEM圖和EDS圖: 左:TEM圖； 右: EDS圖。
通過觀察SAC305腐蝕區(qū)域TEM圖，發(fā)現(xiàn)腐蝕區(qū)域的氧含量達(dá)到了30%以上。且在M7區(qū)域有少量銅沉淀。銅沉淀的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致體積膨脹并增加局部機(jī)械應(yīng)力。
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Illes, B. & Horvath, B. (2014). Tin whisker growth from micro-alloyed SAC solders in corrosive climate. Journal of Alloys and Compounds, vol.616, pp.116-121.
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