“錫須”對于電子制造的某些方面來說不是一個富有想象力的幻想術語。錫須是真實的。它們是從純錫表面發出的微觀導電纖維，它們對所有類型的電子產品都構成了嚴重的問題。這些晶須可以形成電氣路徑，從而影響目標設備的運行。本文討論了從電子設備中去除鉛引起的問題，并描述了一些減輕錫須的技術。

介紹

本文討論了錫須：它們是什么，它們來自哪里，以及我們對它們的了解。討論涵蓋了從電子產品中去除鉛引起的問題，其中最重要的是我們的主題錫須問題。最后，提出了減輕錫須的方法。

問題概述

簡而言之，“錫須”對于電子制造的某些方面來說并不是一個富有想象力的幻想術語。錫須是真實的。它們是從純錫表面發出的微觀導電纖維，它們對所有類型的電子產品都構成了嚴重的問題。錫須并不是轉向無鉛電子產品后產生的新現象。事實上，它們最早是在 1940 年代撰寫的論文中報道的。

鉛（化學符號Pb）已被有害物質限制（RoHS）指令禁止。盡管RoHS起源于歐洲，但其指令現在幾乎影響了今天制造或計劃在不久的將來生產的每一件電子齒輪。連接器、無源和有源元件、開關和繼電器現在都必須是無鉛的。

為什么要有如此嚴格的授權？這種動力并非來自電子和半導體（IC），而是來自感知的公共安全。歐洲安全機構確定有必要防止鉛進入垃圾填埋場，因為它是一種有害物質。鉛被認為是一種神經毒素，已知會抑制血紅蛋白的產生并影響大腦發育。兒童顯然比成人面臨更大的風險。奇妙的是，從油漆和汽油中去除鉛顯著改善了我們的環境，對兒童特別有益。

仔細看看罪魁禍首

人眼幾乎看不見錫須，比人的頭發細10到100倍。它們可以在電氣設備引線之間架橋相當長的距離，這樣做可以使導體短路。它們可以相當迅速地增長;孵化時間可以從幾天到幾年不等，根據美國宇航局關于胡須的背景。 它們何時開始生長沒有固定的時間表。

當晶須在兩個導體之間生長時，晶須通常會“熔斷”（消失），從而產生瞬時短路。在某些情況下，它會形成導電路徑，在不正確的位置產生錯誤信號，進而導致相關設備的不當操作。在極少數情況下，晶須不會像保險絲一樣消失，而是可以形成能夠承載超過 200 安培電流的導電等離子體！

晶須還可能斷裂并與印刷電路板 （PCB） 走線和其他導電件接觸，從而干擾電信號。在光學系統中，它們可以破壞或減弱透射光;在MEMS中，它們會干擾預期的機械功能。

胡須是真實的，它們會引起真正的問題。但它們也是隨機的。他們到底有多大的問題？在過去的五年里，純鍍錫電子產品在現代社會中無處不在。這些電子系統是我們通信和金融系統、制造和運輸系統的支柱，當然還有我們的發電廠（核能和常規發電廠）。錫須在意想不到的地方產生了導電路徑和其他破壞。2005年，康涅狄格州美國磨石核電站的隨機“完全關閉”信號歸因于錫須。

由于純錫具有潛在的危險和不可預測的風險，因此目前尚未用于醫療設備。2014 年之前允許在外部醫療設備中使用鉛，在 2021 年之前允許在內部醫療設備中使用鉛。

它們如何以及為什么生長？

工業界并不真正知道是什么導致了錫須，我們也不真正了解它們是如何形成的。我們無法預測它們，只能說胡須可能會在純錫上形成。用加速壽命測試來研究它們已被證明是沒有用的，因為它們在模擬環境中不會生長得更快或更快。

因此，錫須會隨機生長并干擾系統/子組件性能。你能做什么？要制定緩解策略，首先需要了解導致錫須的原因。不幸的是，對于它們是如何形成的，沒有公認的解釋，但存在許多理論。

一些假設晶須是響應鍍錫層內的殘余應力而形成的，并且是由鍍層的化學性質引起的。他們指出，由明亮（小顆粒）電鍍工藝表面處理產生的殘余應力容易產生晶須。然而，大顆粒飾面（啞光）也已知會長出胡須。其他人則認為，重結晶和異常晶粒生長可能會影響晶格間距，導致晶須。

壓力可能來自許多地方，并在“鉛”世界中被接受。但這些相同的壓力似乎在純錫世界中引起了胡須。應力來源包括外部活動（如擰緊緊固件）產生的壓縮力;引線形成過程中可能發生的彎曲或拉伸;甚至在正常處理中產生的劃痕或劃痕。最后，引線框架基材和鍍錫材料之間看似微小的熱膨脹系數差異被認為是導致晶須問題的應力的可能來源。1退火啞光錫似乎是減輕應力的最成功的表面處理，因此經常被組件公司用作無鉛表面處理。

這會給我們帶來什么？已經進行了許多實驗，結果不一致。目前的共識是，增加應力或促進擴散的影響傾向于誘導晶須形成。所以綜上所述，業界真的不知道是什么原因導致錫須的形成。

鉛真的是問題嗎？

稍微改變一下節奏，從不同的角度考慮主要問題。每年真正消耗多少鉛？根據國際鉛鋅研究小組的數據，2010年全球鉛的使用量從2009年的896.6萬噸略有增加至959.5萬噸。4（考慮到2009年經濟放緩，這種增長是可以理解的。其中80%的鉛使用量消耗在鉛酸電池中。另請注意，在RoHS指令之前，電子焊料僅消耗0.5%，IC電鍍僅消耗0.05%！

所有這些統計數據告訴我們什么？2010年，鉛在所有應用中的使用量約為210億磅。其中，電池消耗了168億磅，如果RoHS指令對電子產品不起作用，IC鉛表面處理將僅消耗約1050萬磅。順便說一下，鉛酸電池中的鉛仍然不受RoHS指令的約束。

回想一下，電子產品中鉛對環境的預期危害是RoHS立法行動背后的推動力。人們擔心鉛會成為地下水的污染物。但許多善意的人忽略了一個重要事實：元素鉛不溶于水。其他消息來源同意：“鉛不會在環境中分解。一旦鉛落到土壤上，它通常會粘在土壤顆粒上。當在明火回收操作中燃燒時，人們擔心如果吸入鉛會產生有毒蒸氣。來自美國宇航局，事實是：

明火溫度約為1000°C，但鉛在1740°C沸騰。

因此，Pb的蒸氣壓可以忽略不計，Pb蒸氣中毒的可能性很小。

使用SnPb焊接的工人血液中的鉛含量不高。

最后，沒有證據表明電子產品中的鉛會帶來健康風險或造成環境危害。然而，許多提出的無鉛解決方案確實會帶來環境問題，許多解決方案對環境的影響要嚴重得多。

無鉛電子產品選項

向無鉛產品的轉變意味著電子行業必須開發與這些焊料兼容的無鉛焊料和端子表面處理。嘗試了許多不同的無鉛合金和一些非常復雜的二元、三元和四元合金。這些合金價格昂貴且難以使用。此外，還研究了幾種錫銀合金，如錫-銀-銅、錫-銀-鉍、錫-銀-銅-鉍，以及各種其他組合。鉍-209具有輕微的放射性，因此它提出了自己的一系列問題。轉換為無鉛電子產品存在許多嚴重的問題，但我今天不會對所有這些問題進行抨擊。但是，有兩種解決方案值得一提。

純錫（Sn）價格低廉且易于獲得，沒有化學危險，并且易于使用。與亮錫或小顆粒錫相比，當今大多數無鉛端子表面處理都是退火啞光錫（也稱為大顆粒錫）。上面已經介紹了純錫的已知和預期問題：胡須。它們會隨著時間的推移而形成，隨機生長，最終可能導致短路或更糟。胡須在地面上生長相當緩慢，但在高海拔地區生長得更快。有一些緩解技術，我將暫時討論。

鎳鈀金（NiPdAu）是一種流行的無鉛飾面材料，使用越來越廣泛。Maxim Integrated目前提供超過5000種不同的零件號。它比純錫貴，需要高溫無鉛焊料。

在考慮組件的表面處理時，評估最終所需的可靠性與風險也很重要。在馬里蘭大學高級生命周期工程中心（CALCE）舉行的2010年錫須國際研討會上發表的工作將最終可靠性分為三類，并提出了不同鉛飾面的風險水平：7

I級：產品的預期現場壽命少于五年。

二級：產品需要非常高的可靠性;如果存在冗余或故障組件可以修復或更換，則故障可能是可以容忍的。

三級：產品必須超可靠;沒有簡單的方法來修理或更換必須具有較長計劃使用壽命的組件/子組件。

制造問題和意外

當然，當電子行業采取行動消除鉛問題時，就像錫須效應一樣。盡管如此，也有一些完全的驚喜。

電子制造工程師知道，如果他們在組裝中混合使用含鉛和無鉛零件，他們將不得不使用兩次通過焊錫機。是的，一個問題，但并不奇怪。然而， 當薄 PCB 在無鉛焊料所需的較高溫度下下垂時，他們感到驚訝.他們已經承認錫須的可能性，這仍然是一個主要問題。但他們并不總是考慮更高的溫度通過產生的額外熱負荷和通過回流焊硬件的循環次數。

真正令人驚訝的是無鉛焊料在高振動環境中的破裂。SnPb焊料不脆，但許多較新的無鉛選擇是。例如，飛機在從地球表面（可能+25°C至+40°C）移動到30，000英尺（-60°C）時，具有許多振動頻率和相當快速的溫度循環。無鉛焊料會出現斷裂，進而導致電路中的間歇性接觸?？梢钥隙ǖ氖?，這在電傳操縱飛機上不是一個好主意，是嗎？

最后，衛星長出胡須的速度非?？?。（回想一下，海拔越高，晶須形成得越快。因此，各個衛星機構現在要求引線的完成至少為3%的鉛。大多數IC制造商實際上提供更傳統的85/15 SnPb表面處理。

緩解，但不是消除

首先，我要指出一個顯而易見的事實：減緩不是消除。它只是嚴重程度的降低。錫須仍然會生長。事實上，許多金屬，包括鋅、鎘、銦、銀、鋁、金，是的，甚至鉛，都會長出晶須。但最具破壞性和最普遍的是錫須，可以長到 10 毫米。

以下是一些降低錫須風險的建議：

不要使用純錫。這似乎很簡單。相反，請使用鉛含量至少為3%的錫鉛合金。是的，甚至SnPb也被證明可以長出胡須，但據觀察，它們比純錫須小得多。

不要依賴訂單文件。使用XRF來驗證所有關鍵部件的光潔度。

用熱焊浸漬重新修飾純錫飾面零件。Maxim在其所有無鉛器件上均提供此項選件，所有這些器件均享有Maxim的完整保修。

使用某種類型的封裝或保形涂層。美國宇航局已經表明，Arathane 5750（以前稱為Uralane 5750）在純錫表面上以2密耳至3密耳的標稱厚度應用時，可以有效防止錫須短路。

保形涂層的優點

保形涂層， 顧名思義， 一種惰性材料的涂層， 可以保護電子電路板免受與錫須生長相關的問題： 短路， 等離子弧， 和碎屑.在定義保形涂層的要求時，請考慮以下幾點：

它必須減緩錫須的形成。我們承認，在我們首先了解錫須是如何形成的之前，錫須是無法停止的。

它必須防止任何有核的錫須向外逸出。

它必須防止在保形涂層外部形成的晶須滲透。

它必須保護涂層電路板免受松散的晶須碎屑的影響.

多年來，波音、斯倫貝謝、洛克希德、雷神公司、英國國家物理實驗室、CALCE和美國宇航局等公司對許多類型的保形涂層進行了研究。研究摘要7表2中顯示沒有保形涂層符合上述所有標準。然而，當應用足夠厚時，Arathane涂層似乎很有希望，并且保形涂層確實可以防止短褲的碎屑。最終，沒有涂層是100%有效的，晶須仍然會生長。如果在操作時需要散熱的部件上使用保形涂層，則需要考慮熱效應。如有必要，可能需要對設備進行降額。

結論

在考慮電子產品的表面處理材料時，SnPb解決方案仍然是最好的，因為工業界在使用該材料方面擁有更多經驗。此外，SnPb已被證明沒有晶須問題，并且在高振動環境中具有很強的彈性。

NiPdAu是一種合理的替代品，因為它也被證明可以抵抗晶須的形成。然而，NiPdAu對高振動環境的適用性仍在評估中。它的焊料是溫度較高的焊料，實際上可能比傳統的SnPb焊料延展性差。

當使用含錫飾面時，保形涂層在某種程度上是有效的，也可能是合適的。上述任一非SnPb解決方案都會增加成本。NiPdAu表面處理在芯片鍵合和封裝之前電鍍到整個引線框架上。（相比之下，SnPb在塑料封裝后電鍍到引線框架上。雖然包含晶須，但保形涂層增加了加工步驟，可能的熱問題，并且不能完全防止晶須形成。