【干货】汽车电子科技类产品锡须测评：大研智造激光焊锡机的关键作用

  随着电子科技类产品无铅化进程的不断推进，以锡及其合金为代表的无铅焊料在电子行业得到普遍应用。然而，这也带来了新的可靠性问题，其中最为典型的便是“锡须”问题。锡须的危害不可以小看，它能够直接与邻近导体接触，进而形成短路，最后导致产品失效。近年来，因锡须问题引发的产品召回案例屡见不鲜。例如，媒体曾报道某车企旗下高端电动车品牌在行驶过程中突发故障，无法继续行驶。经检测，故障原因是前后桥逆变器电容上，由螺丝连接的镀锡端子产生了锡须，致使高压直流电正负极短路，从而造成逆变器无高压供电。

  鉴于锡须可能引发的难以处理的后果，本文将对无铅电子器件的锡须现象进行深入的机理分析，并详细的介绍锡须生长试验及检查方法，旨在为无铅电子元器件的可靠性设计与验证提供有益参考。同时，大研智造激光锡球焊锡机在汽车电子电器产品的焊接环节中，凭借其先进的技术，对锡须问题的预防也有着非消极作用，后文将详细阐述。

  锡须（Tin Whisker）是从锡或镀锡金属表面自然生长出的须状纯锡晶体。这是电子科技类产品及设备中较为常见的现象，其直径约为几个微米，长度介于几十微米到十几毫米之间。锡须的形态丰富多样，包括长针状、弯曲状、扭结状等，具体形态如图2所示。

  锡须本身就具有导电性，因此其最大风险在于极易造成电子科技类产品上相邻导体之间的短路。对于对可靠性要求极高的汽车电子而言，在产品常规使用的寿命内出现锡须问题通常是没有办法接受的。

  一般认为，镀层内部的压应力是锡须生长的主要驱动力。具体来说，锡与铜之间相互扩散，会形成金属间化合物（IMC），这一过程会使锡层内应力迅速增大，促使锡原子沿着晶体边界扩散，由此产生锡须。压应力的来源可以是机械应力、热应力或化学应力。

  影响锡须生长的因素可分为内部因素和外部因素。内部因素涵盖镀层和基底的材料特性，如热线胀系数、原子扩散能力、反应生成IMC的能力等，还包括镀层合金、厚度、结晶组织以及表面状况等。外部因素则包含外部机械应力、温度、湿度、环境气氛、外部气压以及辐射等。经过控制这一些因素的变化，可以在一定程度上完成加速或抑制锡须生长的目的。

  1. 使用雾锡：若使用Ni阻挡层，镀层厚度应在2μm以上；若不使用Ni阻挡层，厚度最好大于10μm。大研智造激光锡球焊锡机在焊接过程中，能够精准控制锡球的落点与用量，对于雾锡工艺的实施拥有非常良好的辅助作用，确保镀层厚度均匀，符合预防锡须生长的要求。

  2. 设置阻挡层：采用Ni或Ag作为阻挡层。该焊锡机的高精度定位系统，可准确将含有阻挡层材料的锡球放置在指定位置，保证阻挡层的完整性与准确性，有效阻止锡须的产生。

  3. 采用Sn合金：添加少量Bi元素替代纯Sn。大研智造激光锡球焊锡机能够精确控制合金成分的比例，在焊接时确保Sn合金中Bi元素的含量精准，从材料层面降低锡须生长的可能性。

  4. 进行老化处理：如在150℃下处理1小时或者170℃下处理10分钟。

  JEDEC固态技术协会发布了关于锡须生长测评的规范JESD22 - A121.01《锡和锡合金镀层晶须生长测量的试验方法》，国际电工委员会IEC也发布了关于锡须测试的标准IEC 60068 - 2 - 82《电子组件中使用的元件和零件的锡须测试方法》。这些规范构建了一套锡须测试的最低条件和评估标准，使得工业界能够在电子科技类产品生产的全部过程中对锡须生长特性做测量与评价，基本满足常规工业生产的使用需求。由于锡须生长是一个长期的可靠性问题，因此必须明确合适的加速试验方法及加速因子，才有机会通过短期试验来评估其长期可靠性。本文综合上述试验方法，形成了一套特有的锡须试验测评体系。

  JEDEC规范中，对试验环境、样品准备、观察周期等方面都有详细规定，例如要求在特定温湿度条件下对样品进行长时间观察。IEC标准则更侧重于对不一样电子元件的锡须测试方法的规范，确保测试结果的准确性和一致性。

  常见的锡须试验通过环境试验进行加速模拟，一般通过提高环境应力来缩短试验时间。根据锡须产生机理及应力类型的不同，可将锡须试验分为以下三类：

  1. 恒温锡须：此类锡须由基材金属Cu扩散至Sn而引发的内应力产生，通常需进行高温放置试验。其原理是在高温环境下，加速Cu与Sn之间的扩散过程，促使内应力更快形成，从而加速锡须生长。

  2. 湿热锡须：这类锡须的产生是由于Sn氧化产生内应力，需进行温湿度循环试验。在温湿度一直在变化的过程中，模拟实际使用环境中也许会出现的潮湿、温度波动等情况，加速Sn的氧化，进而加速锡须的生长。

  3. 热冲击锡须：其产生原因是基材金属Cu或过渡层的金属与Sn镀层之间因热膨胀系数不同而产生内应力，需进行温度循环试验。通过快速的气温变化，使不一样的材料间产生热应力，从而加速锡须的产生。

  实际测试时，可依据样品镀层类型（亮锡/雾锡）、部件母材差异还有是不是有阻挡层等因素，合理组合三种试验进行晶须测试，具体可参考图4镀Sn样品试验步骤。

  温湿度循环试验条件设定为：常温（25 ± 3）℃，常湿度（50 ± 5）%；高温（85 ± 3）℃（样品最高贮存温度），高湿度（85 ± 5）%。按照图5进行5个循环，样品数量为4PCS，无电压、无负荷。

  此试验条件为：温度50℃，放置时间4000h，样品数量4PCS，无电压、无负荷。

  试验条件为：低温（ - 40 ± 3）℃，高温（85 ± 3）℃，保持时间取决于样品温度达到指定温度并稳定所需时间，温度转换时间T2、T4 ＜ 30s，进行1000个循环；样品数量4PCS，无电压、无负荷。

  1. 光学显微镜：需配备充足照明，放大倍数在100 - 300倍之间，能够测量最小轴向长度为10μm的须晶。其光学系统应具备可在三维空间移动和旋转的载物台，以便须晶能垂直于观察方向做测量。同时，工作距离范围应足够广，以实现多焦平面观察。

  2. 扫描电子显微镜（SEM）：由于SEM具有高焦深的特点，是研究锡须的首选设备。其放大倍数至少为250倍，最好配备可倾斜和旋转样品的处理系统，建议使用装有X射线检测器的扫描电镜进行元素鉴定。

  晶须本身极为脆弱，因此在试验过程中和试验后，都应避免产品受到强风、较大机械振动冲击。操作时需轻拿轻放，严禁用手直接触碰电路板表面，应将样品存放在干净无污染的环境中。试验结束后，应尽快对样品进行检测。

  检测时，优先使用扫描电子显微镜对样件可能生长锡须的部位进行初步筛选检查。锡须的判定依据以下标准：

  若初步筛选检查未检测到锡须，则试验结果符合标准要求。若检测到锡须，需使用电子扫描显微镜对样品进行详细检查，记录超过规定长度的晶须根数，测量各部位产生的最长晶须的长度，并对产生晶须的位置拍摄细节照片和整体照片。

  由于锡须形态各异，晶须长度的测量定义为从表面到晶须上最远点的直线距离（即包含晶须且中心位于出现点的球体的半径），如图9所示。测量时，应旋转试样，使晶须的源和最远点出现在观察平面内，如图10所示。

  与晶须相关的主要风险是在两个独立的导电表面之间形成电连接，即通常所说的短路。因此，晶须形成短路的风险仅与电子或电路中导电表面的接近程度有关。不同元器件的最小距离如图11所示。

  1. 发生晶须最长长度小于发生晶须的部位和邻近晶须有几率发生部位的长度的1/2；

  晶须密度即单位面积的晶须数量，目前并无证据说明晶须密度、最终表面上晶须密度的均匀性与晶须长度之间有任何相关性，因此晶须密度与晶须带来的风险并无关联，无需根据晶须密度建立评估验收标准。

  某车身集成控制器为镀锡件，且为亮锡，其母材不含Fe - Ni合金成分。针对该产品策划锡须生长试验，依据试验步骤，先进行温湿度循环试验，再进行50℃放置试验，试验条件与前文所述一致。试验结束后，使用显微镜对样品可能生长锡须的部位进行初步筛选检查，发现样品多处存在疑似晶须生成的情况。随后，使用扫描电子显微镜进行详细检查，检测到锡须并测量了锡须的长度，如图12、13所示。

  通过上述观察，发现该车身控制器存在锡须生长问题，这在产品使用的过程中非常有可能导致功能失效等难以处理的后果，一定要引起格外的重视。若在该产品生产的全部过程中，使用大研智造激光锡球焊锡机，利用其在控制镀层厚度、精准放置阻挡层材料以及精确控制合金成分比例等方面的优势，或许能够有很大成效避免锡须生长问题。例如，通过精确控制锡球落点与用量，确保雾锡镀层厚度均匀，降低因镀层问题导致的锡须生长风险；利用高精度定位系统准确放置阻挡层材料，增强对锡须产生的抑制作用；精准控制合金成分比例，从材料本质上减少锡须生长的可能性。

  随着汽车电子电器产品向无铅化和高度精密化发展，锡须生长问题对其可靠性构成了严峻挑战。锡须通常在几年至十几年后出现，其生长可能引发严重的失效问题。因此，积极开展温湿度循环试验、高温放置试验、温度循环试验等环境组合试验，以验证产品的锡须生长情况，并研究出科学可行的测量和评估方法至关重要。同时，像大研智造激光锡球焊锡机这样的先进设备，在生产环节中对锡须问题的预防具备极其重大意义。通过合理运用先进设备与科学的试验评估方法，可以更加好地保障汽车电子电器产品的可靠性，推动汽车电子行业的健康发展。

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