Avaya Inc公司 Mark Woolley，
Westminster, CO Jae Choi
由美国电子工业联接协会IPC供稿

摘要

欧洲的RoHS法规具有深远的意义，该指令要求更换组件引线上的铅涂层。虽然，一些供货商在使用锡涂覆材料，但是，目前纯锡镀层上会不时地产生晶须的现象，这种现象会导致电路失效。为了防止晶须的产生，各公司设计出不同的镀覆方案和使用不同的材料。然而，业界必须对引线涂层进行标准化，以便替代过去使用的SnPb焊料。

本文对暴露于诱导锡晶须的环境条件前后的几种不同引线材料进行了检测，以便确定这些环境对焊点的影响。除了促使锡晶须生长外，这些应力环境还会使焊点老化。根据通讯业使用的组件，检查焊点在（-40℃~85℃）温度循环下和在50℃和85% RH条件下是否存在锡晶须、粒子结构、金属间化合物形成以及开裂的现象。

前言

自上个世纪四十年代以来，业界就意识到锡（Sn）晶须会导致电气方面的问题。由于锡晶须的形成，使得卫星失踪1，2。晶须迫使二次启动心脏起博器3。上个世纪九十年代，禁止在航天、军事和高可靠性设备中使用纯锡涂层。

制造厂家发现添加5%的Pb于Sn中会抑制多数晶须的形成。多年来，将铅（Pb）和Sn结合起来使用，以便使电子设备形成机械连接和电气连接。保护设备不受晶须以及应用SnPb形成电气连接的影响。

最近，美国的一些州、欧洲、台湾、韩国和中国颁布指令，禁止在电子设备中使用Pb。

其中最为人知的是欧洲电子电气设备限制使用某些有毒有害物质（RoHS）4。组件的端接涂层和焊料中不再使用Pb这种会导致晶须忧患的方案再次提出来。

一些制造厂家对使用不同的引线涂层抱支持态度。几家制造商正在使用非纯锡涂层，并对镀覆的组件进行后处理，以便形成均匀一致的铜-锡金属间化合物层，防止涂层内产生应力5。其它公司是使用镍（Ni）底层阻挡层来降低铜（Cu）扩散于Sn镀层中。Sn加上少量的其它金属，如像：采用镀铜（99.3Sn:0.7Cu）或银和铜（95.5Sn: 4.0Ag0.5Cu）6。至少有一家公司完全不使用Sn，而是使用镍-钯-金涂层或镍-钯涂层7。所有的制造厂家都声称其涂覆材料是无晶须涂层，即：不会产生晶须。

目前，消费类电子产品已使用无铅焊料有多年。然而，当今的消费类电子产品的预期寿命只有一、二年。先进的软件和硬件使得当今市场上销售的许多消费类电子产品仅在1年内就会失效。据推测，这种预期的过时报废在通讯行业并不看好，因为通讯行业预期的寿命要求大于10年。通讯行业的客户不希望以每二、三年花费成千上万美元做代价来更换其整个系统。客户更希望通过补充硬件，更换软件的方式对系统进行升级来增加功能。

10年后，设备的许多部分仍能正常运转。在考虑向无铅焊料过渡时，必须考虑到预期寿命的这种差别的作用。然而，必须为长期投资建立全面的无铅焊料的可靠性。

方法

在将符合RoHS要求的产品导入市场过程中，实施加速寿命测试来确定SnPb焊料与SAC焊料之间的可靠性差别。并不能直接获得预期的从加速条件到使用条件的寿命时间，因为许多SAC焊料反应的活化能量是未知的。为了用用SnPb焊料制造的标准产品来补偿这种数据不足的产品，而同时使用SAC产品进行生产。在制造RoHS顺应性产品中使用SAC305（96.5Sn:3.0Ag0.5Cu）。

我们使用的循环温度在-40℃-85℃之间，在极端温度下浸渍15分钟，升温速率与炉腔热循环使用的速率一致。热循环速率约为每小时1.25次或者是每天30次。我们对产品的循环次数要求为300次。

浸渍的静态环境是：温度为50℃，湿度为85%RH。建议在温度高于60℃的条件下，开始第二次形成铜金属间化合物（Cu3Sn）8。在铜焊料界面上第二次形成的一层金属间化合物更加均匀，从而防止了铜进一步的扩散于锡中。在实验过程中，我们不希望这种现象产生，避免晶须的形成。

结果

我们仅报道三种类型的引线涂覆材料组合。这些组合材料为浸渍于熔融锡中的裸铜引线框架；镀覆锡的镍铁引线框架；镀覆了镍后镀锡的铜引线框架。我们还检测了银层上镀镍后再镀锡的陶瓷MLC电容的端盖。我们在测试中使用的产品的任何组件的引线涂层材料中都不含钯。

对没有置于环境应力下的产品进行检测，并与施加了应力的产品进行比较。要注意几个事项。Cu6Sn5金属间化合物以微小沉淀物的形式存在，而不是以大晶体结构形式存在。据观察，在Cu-Sn界面的Cu6Sn5金属间化合物层不像有应力样品的那样厚。突起间的间距较大，其会使铜扩散。据观察，镍金属间化合物层却没有什么差别。

经温度循环的样品与在静态温度下的样品之间没有形态上的差别。