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锡须是如何影响产品可靠性的呢?

嘉峪检测网        2020-08-30 19:03

在面对国外进口器件的绿色环保全面无铅化的大背景下,若在高可靠性领域使用该类器件必将涉及到混装、元器件耐焊接热、锡须生长等诸多问题,虽然美国SpaceX公司认为锡须隐患,是可以预见,可以预防的,但无铅工艺在我国高可靠性应用中一直是属于禁用工艺,即使锡须生长机理目前还没有一个准确的定论,作为已经识别出来的可靠性隐患还是“扼杀在摇篮中比较好”,因为99分也是0分。
 
在工业界转向无引脚封装一年多的时间里,在元件的引脚电镀、焊球、焊膏生长“锡须”的可能性飞速膨胀。然而让人惊讶的是,锡须问题并没有想象中那么肆虐。什么是锡须呢?NASA已经就锡须问题进行了多年研究,他们将其定义为可在材料外层的锡(通常为电镀锡)表面上生长的导电锡晶体结构。典型的锡须是从表面伸出来的,其形状为很细的单丝或者头发状 凸出。
 
锡须可以将临近位置,不同电势的两个电路元件桥连起来从而导致电子系统的失效。最令人沮丧的是,目前为止,锡须形成的确切原因、条件以及时间框架依然不清楚。自欧盟的《有害物质限制指令》(RoHS)生效后,锡须是如何影响产品可靠性的呢?
 
“关注锡须对电子产品可靠性的影响是合理的,但需要全面地看待”Indium Corp.的高级研究员、Dartmouth College的教授Ronald Lasky指出,“关于锡须失效机理的最具权威解释是由NASA的Michael Sampson 和 Henning Leidecker提出的,NASA目前有一个关于锡须相关解释的网站,可以从该网站上看到很多与锡须相关的失效数据。”
 
“总的来说,目前我们还没遇到过锡须问题,但这并不说明我们以后不会遇到,”ASAT Inc.主管工程和技术的高级副总裁Leo M. Higgins III这样认为,“在JEDEC测试中我们看到的最大的晶须尺寸为20-30µm。有时在一个很短的时间内锡须会突然出现,有时你在2000小时内看不到任何晶须,但在3000小时时,你可能会突然看到一个很大的晶须,因而很难预测何时晶须产生。使我们的测试对于实际应用没有任何意义的另一个重要因素是我们测试时是没有加偏置的。
 
在那些未经回流以及暴露在助焊剂和回流环境的元件中也有锡须出现。这两个因素会对测 试结果造成很大影响。”锡须的迁移是怎样的呢?制作RoHS兼容、引脚覆锡元件的公司可以使用多种锡须迁移策略(而不是消除),据Lasky讲,“这些方法包括在工艺上最小化锡中的残余应力、加入少量的铋(比如3%)、在引脚的铜基材与锡之间加入镍薄层等等,”他还提到,“这些策略可以将锡须的影响降低到很小,对应产品的风险在其10年寿命范围内是可接受的。
 
但什么是可接受的风险?当晶须带来的风险很小,以致于可预见的主要失效模式被认为与锡须无关,就认为此时锡须带来的风险是可接受的。” 其他与锡相关的问题还有哪些呢?
 
有意思的是,ASAT指出,在业界向无引脚封装转变之后,测试插座的污染成为一个令人头痛的问题。为解决这一问题,他们最近转向新一代锡化学的研究,使用这种物质,对应产品在电测试时向测试插座转移的碎屑更少,并可以提供更好的晶须抑制效果。“使用原来的锡制作方法,对应的失效率5%,这表明在测试插座上有很多粘附污染后,开始检测出‘开路’。
 
使用新一代制锡方法之后,供应商声称失效率降低到0.5-1.5%,” ASAT的应用工程部主管Serafin Pedron解释说:“这大约提高了近 5倍。由于锡的结晶更细,晶粒更均匀,在接触位置的磨损更低,锡氧化层积累更少,因而降低了失效率。” 业界转入无引脚封装之后的另一个与封装相关的挑战是跌落实验,Higgins提到在过去一年里,ASAT开发了冲击实验和跌落实验解决方案,可以在跌落实验中测试便携电子产品的无引脚焊球以及一般引脚。但现有的这些方案使用的都是高温焊球。最后需要指出的是,无引脚封装转变过程中很多问题会不断涌现(也包括一些好的方面)。对锡须而言,如Lasky所言,“RoHS已经生效15个月了,已经有价值约4千亿美元的 RoHS 兼容产品面世,在这一领域的所有这些产品中,还没有与锡须相关的重大失效被报道。”
 
关于锡须问题的介绍
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来源:技术游侠