摘要：通过扫描电镜观察，研究不同处理工艺中电子元件引线框架表面Sn—Cu电镀层上锡须的形成与长大，结果显示，高温高湿处理易于促使锡须的形成与长大，经过一定的时间后，锡须生长速度减缓；循环热处理或室温处理对锡须的形成影响较小；当施加恒定外应力后进行室温处理，锡须的形成完全受到抑制。锡须的形成与长大是由于电镀层中存在压应力，压应力促使镀层中锡发生再结晶并长大成锡须。
关键词：无铅电镀；锡须；热处理；压应力
由于环境保护的影响，欧盟要求所有进入该市场的电子电器产品必须满足无铅化，这使得电子产品的无铅制程受到生产厂家越来越多的关注。尽管许多的研究表明无铅组装是可行的，而且有某些有利的特点，但在无铅制程中，有许多问题需要解决，其中锡须的影响是关键问题之一。锡须是镀层表面自发生长而延长的锡单晶体，其尺寸较小，低倍下无法观察到，而只能借助高倍仪器如扫描电子显微镜才能发现。锡须的直径大约一到三个微米，长度从几个微米到几百个微米不等，形状多样，如直线状、弯曲形、开叉等J，。锡须有惊人的高电流负载
能力，通常为10mA，最大可达50mA，这样的电流对电子集成电路来说是致命的。1998年美国银河4号卫星，由于其内部电路中锡须短路导致其功能失效。基于锡须对电子电器产品的巨大威胁，人们对其机理进行了广泛的研究J，然而对影响无铅镀层上锡须的产生环境因素却研究得比较少。本文模拟笔记本电脑中电子元件的实际工作环境，研究了温度及湿度等因素对电子元件引线框架表面无铅Sn—Cu电镀层上锡须的形成与长大影响。
1试验方法
通过电镀工艺，在电子元件引线框架表面的铜箔(铜箔尺寸为20m×10m×30m)上电镀平均厚度为1m的无铅共晶sn一0．7Cu合金，再把所制成的电子元件放置在不同的温度与相对湿度环境下进行处理，具体工艺见表1。采用JSM一6360扫描电镜对样品进行观察分析，以确定镀层上锡须的形成与生长状况。
2试验结果
通过SEM观察分析显示如图1、图2所示。试样1#在高温高湿环境中处理，锡须生长比较明显，锡须呈棒状。经过240h保温处理后，锡须的平均长度为1μm，如图2(b)所示；经过2400h后，锡须的平均长度达到了21μm，如图2(c)所示；进一步延长处理时间，锡须生长速度变慢，如经过3600h处理后，锡须的平均长度为23μm，表明在高温高湿环境中，锡须易于生长，但经过一定时间处理后，锡须生长速度变缓。
对经过循环热处理的样品观察显示，锡须的生长速度与平均长度明显低于高温高湿处理，经过2400次热循环(相当于240Oh)后，锡须的平均长度也只有3μm左右，如图2(d)所示。表明循环热处理并不明显促进镀层上锡须的生长。通过对试样1#与2#的进一步观察显示，锡须呈棒状，在锡须根部的周围镀层中发现存在裂纹，如图2(b)、图2(d)所示。
试样经过3600h的室温处理后，锡须以胞状形式显示，最大长度不超过1μm，如图2(e)所示。但当沿试样纵向施加10N的恒定外力并进行室温处理后，镀层表面并没发现锡须存在，如图2(f)所示。表明进一步施加外力作用后，室温下镀层上锡须的形成受到抑制。
对经过2400h处理后的1#试样，采用微蚀的方法把Sn—Cu镀层蚀掉后，发现球状颗粒如图3(a)、图3(b)所示。能谱分析显示，这些颗粒物为CuSn相。对同样处理的试样进行切片试验显示，铜箔与镀层的界面为cusn相金属间化合物层，该层呈凹凸状，cusn相嵌入镀层颗粒的晶界中。
从实验结果中看到，铜箔镀上共晶sn—cu合金后，热处理工艺对镀层上锡须的形成有很大影响。图3显示1#试样镀层与基体之间的界面层呈凹凸状，cusn相嵌入镀层的晶界中，铜的扩散与CuSn层的形成在镀层中产生压应力并累积，压应力促使电镀层中锡发生再结晶，形成锡须，这可以用图4来进行说明。锡须生长冲破表层的氧化层，并继续长大，压应力逐渐得到释放。
3讨论
从图1及图2中看到，电子元件的工作环境对锡须的形成和生长有很大的影响。高温高湿环境下有利于锡须的形成与长大，而高低温循环以及室温处理时，锡须不易生长。当施加恒定外力时，锡须的形成完全受到抑制，这是由于外力的作用导致镀层产生开裂，如图2(f)所示。镀层中压应力得以释放，锡的再结晶受到阻碍，从而使得锡须的形成与生长受到抑制。
有许多因素促使锡须的形成生长，其中压应力是较为普遍的生长机理模型。压应力来源于基材本身、电沉积底层以及电沉积锡。在本实验中，压应力主要来自电镀时的电沉积。无论以何种方式存在，压应力无疑是锡须生成的催化剂。而应力消除是锡须生长的主要促发剂。电沉积锡本身通常含有微小的张应力，而基材的应力消除引起了压应力。压应力主要产生于机械操作(基材冲压或切断、电镀锡后的处理)和扩散(结晶容积扩散、晶粒边缘扩散、金属相间扩散))。由于在切断过程中基体产生应力或缺陷、错位促使锡扩散更容易发生，所以相对于元件本身，冲压材料的横断边缘更易形成锡须。
从图3看出，在铜表面上电镀共晶锡铜合金后，在镀层与铜基体界面层上有cusn金属间化合物。金属间化合物的形成对锡须的影响已经被广泛研究认同。实际上，通常铜基材最具有代表性。在这种基材的样品元件上，镀层中锡进入铜基材的扩散速度远远小于铜进入镀层的速度。铜元素扩散到锡的晶粒边缘形成了张应力区域，由张应力形成的张力导致锡层内部压应力的产生。正是这些化合物与基体的相互作用促进了锡须的生长。
基材元素向镀锡层的扩散完全是由镀锡晶粒本身的结构所决定的，所以晶粒的结构对锡须生成也有一定的作用。晶粒的边缘被认为是镀层的缺陷。在恒温条件下，晶粒边缘沿着缺陷轨迹扩散是扩散的主要形式。缺陷越多，扩散的机率就越大。
由于平滑的晶粒颗粒越小，单位面积上的边缘数量就越多，平滑的电沉积晶粒便有更多的缺陷。所以在平滑的晶粒结构中扩散更容易发生。锡结晶的取向对锡须的生长也有一定的影响。通过x光衍射测量，观察到生长锡须的晶粒取向不同于镀层中锡晶粒的正常取向，锡须晶粒的优先取向为(211)，而正常的锡晶粒的特性优先取向为(220)。锡元素特性优先取向的应力相为零，且不随时间的增加而改变。所以理论上(220)取向对锡须有一定的抑制作用。
另外，文献认为，当镀层中合金的晶粒尺寸在2m～5m时，锡须不易产生，然而本试验中镀层颗粒的尺寸在2m～3m，如图2(a)所示。在高温高湿环境下，锡须同样易于产生并长大，表明镀层中颗粒尺寸大小不是锡须形成的必要条件。 4结论
铜箔上镀共晶sn—cu合金后，热处理工艺对镀层上锡须的形成与生长有很大影响。高温高湿易于促使锡须形成与长大，经过3600h处理后，平均长度达23m；而循环热处理以及室温处理对锡须的形成与生长影响较小，施加恒定外力时可抑制室温下锡须的形成。锡须的形成与长大是由于镀层中存在压应力所造成。
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