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iNEMI对用于高可靠性产品的组件无铅涂层的建议
2008/4/18 15:21:44    新电子工艺

iNEMI锡晶须用户小组由8家大型高可靠性电子组装的制造厂家组成。这几家公司年购置元器件达几百万美元,由这几家公司组成用户小组,就有关高可靠性电子应用领域的无铅表面涂覆材料提出一些建议,旨在使由于锡晶须产生故障的可能性降低到最低极限。iNEMI用户小组成员一致认为纯锡电镀在高可靠性应用中存在有风险,而采用成本合理的替代产品可降低这种风险。

电子组装行业在解决锡晶须问题和测试方面所采用的方法的标准化工作中取得了长足的进步。在2005年和2006年出版发行的标准和相关出版物中重点论述了锡晶须测试、环境可接受要求和解决方案(JEDEC标准JESD22A121.01,测量锡和锡合金表面涂层上晶须生长和JESD201,锡和锡合金表面涂层的锡晶须敏感度的环境可接受要求和JEDEC/IPC焊点出版物JP002,当前锡晶须原理和解决方案指南)。用户小组完全支持并同意将这些文件作为解决方案中综合策略的一部分,锡晶须测试和镀覆工艺控制对于降低与锡晶须相关的故障的风险来说是很有必要的。

本文件对该小组2003年6月出版发行和2005年5月修订的原报告进行了再次修订。该文件对用于不同用途的元器件涂层提出了建议,并根据用户小组成员自身的经验和可靠的数据给出了其最佳的评判。有关无铅组件涂层迁移的27条通用指南已用于这些建议的制订中。本文件不适用于关键应用领域,如像:航空领域。这些指南通常满足不了这些类型应用的需求。

在制定JESD201和JP002过程中,用户小组与JEDEC和IPC密切合作。不过,锡晶须的问题仍没有得到解决,而且这个问题一直是威胁到产品可靠性的一个重要问题,成为人们时常谈论的热点话题。用户小组当前的目标是将重点放在这个问题上,并持续为用户和供货商提供指南,以便降低由锡晶须导致产品在功能或可靠性方面产生问题的可能性。通过将已知的解决方案与工艺控制和某些等级的测试结合起来可以达到这个效果。锡晶须的问题一直是电子产品可靠性的关键问题。每年使用的组件量达亿万个,但是,只要有一个缺陷就会产生一类问题。


一、背景说明


在电镀非合金锡中形成锡晶须和锡晶须生长已有很长的历史了,锡晶须的形成和生长会使各种类型的电子设备产生可靠性的问题1。50多年来,在解决锡晶须问题中所采用的主要方法就是往镀锡液中添加铅(Pb)。法规限制在出口到欧盟和世界其它地区的电子产品中使用铅,因此,使得电子元器件的供货商将镀锡-铅(SnPb)中的Pb取消,只采用纯锡成分。这是最常用的方法,而且对于多数制造厂家来说是一种成本低廉的取消铅的方案。然而,对于高可靠性用户来说,由于镀覆纯锡和锡合金存在着形成锡晶须的趋向,纯锡方法存在可靠性方面的问题。

本报告给出了用于不同用途的适用的无铅涂覆材料的替代品。iNEMI成员根据个人的经验,结合有关锡晶须形成和生长方面的技术文献给出了他们的见解。用户小组在几个国际联合体的赞助下正在进行锡晶须形成和生长方面的研究工作,其工作内容包括iNEMI锡晶须仿真项目(iNEMI Tin Whisker Modeling Project)、锡晶须加速测试项目(iNEMI Tin Whisker Accelerated Test Project)和马里兰大学计算器辅助寿命循环工程“CALCE”小组(University of Maryland’s Computer Aided Life Cycle Engineering)(http://www.calce.umd.edu/lead-free/tin-whiskers/)。在此特别感谢NASA Goddard Space Center website (http://nepp.nasa.gov/whisker/)就有关锡晶须问题的背景信息和研究提供的列表。
 
在过去的几年中,在了解锡晶须形成和基础原理方面取得了显著的进步。锡晶须的形成是由于锡膜中的压缩应力所致,通常,人们对这种说法是可以接受的2。这种应力源自诸多不同的渠道,包括金属间化合物形成、氧化作用和腐蚀、热循环或机械方面的因素。仍有许多因素需要我们去了解,以便对锡晶须形成和生长过程进行全面的描述。对锡晶须生长进行预测和描述的量化模型是不存在的。因此,根据解决方案和指南,在防止Sn膜和基体间产生压缩应力所获得的实验数据是有根据的,这些数据支持实际应用。除此之外,已制订了标准的测试条件和可接受标准。然而,相对于实际现场使用条件而言,这些标准的测试条件是可以加速的或者是不可以加速的,而且与使用环境和服务条件也没有直接联系。因此,断言镀锡工艺“无锡晶须”或保证使用寿命期限内不会出现锡晶须缺陷,此时,必须抱以怀疑的态度。用户小组特别鼓励对锡晶须的问题进行持续不断地研究,并制定出解决方案。


二、向符合RoHS的涂料转移的通用指南


出版界对于锡晶须形成和向无铅表面涂层材料转移的方案已有大量的最新信息报道。在决策之前,应对有效数据和替代产品有个全面的了解,这是合乎情理的。各公司需根据可靠性方面的风险和市场应用方面的成本效益对替代产品进行评估。

应告知用户锡晶须实验相对于生长速率、潜伏期的时间和许多其它参数缺乏一致性。除非某些解决锡晶须指南得到iNEMI用户小组的支持。对于读者来说,了解本文中讨论的各种解决方案和技术是很重要的,不过,这些解决方案和技术对于排除锡晶须的问题并不是特别灵验,不应将其作为防止锡晶须的方法,只能作为降低锡晶须的方法。对于这些技术,在有效降低锡晶须的产生因素方面,如果在技术上有很大争议的话,某些用户就会考虑使用其它材料系列和这些材料的组合,因此,需要一些锡晶须测试数据的支持(作为后备方案)。特定用户和供货商必须对替代产品解决方案和/或锡须测试步骤达成一致意见。第四节中的表1给出了无铅涂层的优先级。

A. 通用的解决方案(优先级)

1.  非锡镀覆:应首先将镍-钯-金(或纯镍-钯)用于引线框架的镀覆。这种镀层在生产现场应用中具有较长的历史(1992-现在)。早期的可焊性问题已得到了解决。此外,业已证实,在多数环境下,NiPdAu不会出现锡晶须问题。iNEMI用户小组特别推荐将这种镀层用于多数引线框架,以便使锡晶须生长延迟。然而,用户应意识到模压化合物与像Pd和Au这样的贵金属材料的结合力不像铜那样好。因此,在与SnAgCu无铅组装类似的较高温度下,NiPdAu封装要获得MSL 1和2的性能是很难的。在高碳氢和硫气氛下,NiPdAu还可抑制加速测试中的腐蚀。在实际生产中并没有注意到这种腐蚀。

2.  采用往Sn镀液中添加Pb的方法来缓解锡晶须的形成3。虽然,法规限制使用Pb,使得这种方法对于许多产品来说是行不通的,但是,有一些豁免产品和“不受法规限制的”产品仍可以使用SnPb涂层。这是50多年来解决锡晶须问题所采用的主要方法,且具有极好的现场应用史。iNEMI用户小组特别提出建议将SnPb镀层持续用于豁免产品的应用中。鼓励供货商为这些应用不断地制造涂覆了SnPb的元器件。

3.  在镀锡层和铜(Cu)基底金属之间添加镍(Ni)底层,可缓解锡晶须的形成(这是用户小组提出的建议,这个建议是很关键的)。镀覆的底层可减轻锡膜中的压缩应力,其被认为是锡晶须生长的原因之一。镀镍层的厚度、孔隙度和延展性对于确保铜阻挡层的有效性也是极其重要的。即使在引线成形后,确保达到这些参数的相应值同样是很重要的。在随后的成形过程中或在实施其它操作过程中,如果镍层开裂或损坏的话,就说明这种解决方法无效4。类似地,控制锡浴的杂质,特别是铜,对于成功地制做底层是很重要的5。此外,在镍阻挡层上镀覆锡薄膜(达3μm)将会受益于NiSn金属间化合物形成的锡膜而产生的拉伸应力,从而局部补偿了由于各种其它渠道,如像:热循环,产生的压缩应力。

4.  用户小组允许使用经24小时内的电镀,在150℃下达1小时的退火,并将其作为镀锡铜合金引线框架的一种通用的有效解决方案。自1962年以来,已将退火/热处理作为解决锡晶须的技术6。通常,某些作者认为退火会提高形成锡晶须的潜伏时间,不过,延迟时间完全不同,可以是几个月,乃至几年。与非退火部件比较,退火还会降低锡晶须长度,不过,这方面的数据是极少的。最近所获得的数据表明退火可以将金属间化合物形态由不规则的Cu6Sn5改变为较均匀的由Cu3Sn和Cu6Sn5构成的两层金属间化合物。由于结果的易变性,建议只有在有测试数据支持的情况下,才能够使用退火。还可参见第23条的说明。

B. 其它适用的解决方案,非常用(大体上以优先级见第四节中表1的优先级)

5. 热浸锡是一种熔融锡浴工艺,并末广泛地应用于电子组件的引线框架结构中,不过,已用于像继电器这样的结构钢零件、连接器和器件中7。有证据说明,使用纯锡这种解决方法可能不会有效8。通常,用Sn-4%Ag或SnAgCu热浸则是一种有充分准备的解决方案9。用SnCu合金热浸可能会有效,也可能不会有效。在镀覆后将镀锡层浸渍,并将其作为一种解决方案时,由于元器件的几何形状的缘故,可能会出现某些端子区域没有覆盖的现象。这些区域产生锡晶须生长的可能性要比涂覆了涂料的区域可能性大。

6.  镀覆后在短时间内在熔融的锡中镀覆以缓解锡晶须的形成10。熔融是一种回流操作,这种操作通常是将镀锡的表面浸渍于热油浴中来完成的。一些用户小组成员建议在具有良好的现场生产史的条件下,采用熔融锡的方法。

7. 在有限的测试中,镀覆的SnAg(2-4% Ag)合金具有降低锡晶须生长的可能性。用户小组鼓励对这种涂层进行深入的研究,并将这种方法作为一种可能的锡晶须解决方案。

8.  在往锡中添加2-4%比重的铋时,铋可能有助于抑制锡晶须的生长11,可以将这种方法作为一种适用的解决方案。用户应意识到与用SnPb焊接的SnPb涂层的引线框架比较,用于合金42引线框架上的SnBi涂层和用SnPb焊接的产品会降低焊点的疲劳寿命12。 用户可对规定的使用环境的可接受性进行评估。到目前为止,还没有发现有关低Bi含量的锡-铋(SnBi)合金涂层与共晶SnPb焊料形成的SnPbBi三元共晶合金方面的报道。有一种低熔点合金,其是在96℃的低熔点锡-铅-铋之间形成三元共晶合金。不过,当用SnPb进行焊接时,将少量(1-5%比重)的铋添加于锡涂料中,根据热力学原理,不可能形成三元共晶合金13。有一种三元SnPbBi包晶,从热力学的角度,适用于铋比重大于6%的组件涂层,这种包晶合金熔点为135℃。只要引线上的铋浓度小于6%,包晶就不会有问题。使用共晶锡铅焊料,将涂层中的铋含量控制在3-5%之间是很有必要的。这样的话,在未研究三元共晶合金的混合范围的情况下,用于抑制锡晶须形成的铋就足够了。除此之外,要求保持低含量的铋成分,以便保持成形引线的可焊性。

C. 通常不应使用的涂层(没有特定的顺序)

9.  业已证实,在多数情况下,银涂层不会出现晶须生长。不过,银枝晶会快速生长,或者是在某些情况下,在H2S中会产生银须(据发现在某些情况下,空气中含有SO2被污染的环境)14。此外,用户有时不使用银涂层是由于其潜在有电子迁移和可焊性储存寿命方面的问题。

10. 当将铜添加到锡镀液中,并作为一种合金成分时,由于铜会提高晶须的形成和生长,所以,镀覆锡铜合金并不是满意的涂层15。参见第6条有关用于浸SnCu涂层的说明。

11. 用户小组特别建议在没有镀覆铜或镍扩散阻挡层的情况下,不要在黄铜层上镀锡16。如果采用了镀覆铜底层的话,建议采用在铜上镀锡的其它解决方案。铜或镍扩散阻挡层的最小厚度为1.27μm。

12. 一般来说,不提倡镀亮锡。不过,可能在一些特殊应用领域亮锡则是一种适用的方法。在没有镍阻挡层的情况下和在焊接后的元器件(IC、无源组件等)应用领域,不提倡镀亮锡。对于非焊接应用而言,最近的一些研究表明当使用Ni底层或新的碳含量较低的镀亮锡时,可能会抑制亮锡的锡晶须生长17。注意并不是所有的数据意见都一致18。提供这一信息,用户可对非可焊接应用领域的Ni阻挡层上镀亮锡的评估进行选择。在所有组件表面上的镍必须是连续的,且是无孔洞的。对于内有空穴的组件(例如;BNC连接器),确认镀镍层厚度和内表面的覆盖率是至关重要的。有史以来,认为镀亮锡的锡晶须生长比镀无光泽锡还要严重19。通常,亮锡的碳含量为0.8%或更高,在镀覆后,其压缩应力等级比无光泽锡要高。传统的无光泽锡的镀覆,其晶粒要比亮锡的大,且碳含量要比亮锡的低。然而,低含碳量和低应力的新型亮锡镀覆适合于商业应用。其碳含量基本与无光泽锡一样。然而,这是一种新开发出的技术,了解到这一点是很重要的,而且鼓励开展进一步的深入研究。对于促使晶须形成的因素,在晶粒尺寸和碳含量的作用方面存在着争议。每种因素都与镀锡中压缩应力有关。不论选择的是无光泽锡镀层,还是亮锡镀层,应实施锡晶须试验(根据JESD201的规定),以便评估镀锡的性能。晶粒结构(见指南14)和有关多次的锡膜应力等级的数据,对于评估这种涂层的适用性是很有用的。鼓励对这些新的低含碳量的亮锡进行更深入的研究。本文的目的是根据下表的内容确定无光泽锡和亮锡的参数:

D. 深入研究所需的解决方案(无特定顺序)

13. 建议在镀锡层和铜基底金属之间添加银(Ag)底层,并将其作为一种缓解晶须形成的方法,类似于上述的镍。不过,对于缓解晶须而言,有限的晶须测试数据支持Ag底层的有效性20。用户小组对于这种解决方案潜在的有效性予于认可,并鼓励对这种技术进行深入的研究。

14. 锡涂层中的大量水平和倾斜颗粒边界(较理想的等轴晶粒结构)的非柱形晶粒结构通过降低由扩散(而不是晶须生长)产生的压缩应力可能会降低或排除晶须生长21。实验数据证实了这种解决方法仍是极有限度的。用户小组鼓励对这种技术进行深入的研究,并作为可能的晶须生长的解决方案。特别建议对采用这种技术实施的锡沉积的应力等级进行不时的跟踪,并确认不会时常产生压缩应力。

15. 在有限的测试中镀覆铜基合金之前,在蚀刻深度为3-4μm的范围时,表面化学蚀刻说明锡晶须生长有可能会下降22。用户小组鼓励对这种技术进行深入的研究,并作为可能的晶须生长的解决方案。

E. 相关应用

16. 理论上来说,Sn涂层的腐蚀(严重的氧化通常是由于水的冷凝作用)主要是Sn膜中压缩应力23作用的结果,这种腐蚀促使晶须生长24。为了降低产生与锡晶须相关缺陷的风险,对于具有腐蚀作用的应用显然应考虑到采用一些附加预防措施,如像,敷形涂覆或非Sn涂层。

17. 在连续将机械压缩应力施加于锡涂层的应用领域(例如:在柔性电缆互连上的零插拔力连接器),锡晶须生长的风险更为突出,用户应对其进行认真的评估,以便确定在这种应用中晶须的生长是否会导致可靠性方面的问题。用户应与供货商一道对这些领域的应用存在的问题寻求相应的解决方法。

18.  对于产生大量热循环的应用,如像:功率循环,户外应用等,在与Sn和基底材料的CTE不匹配相关的Sn涂层中会产生压缩应力25。只注重由像形成金属间化合物而产生应力的底层镀层或退火这样的缓解措施,对于缓解这些应用中的锡晶须生长是不会奏效的。

19. 用户在将锡涂层施用于合金42(Fe-42Ni)引线框架的这种会产生大量热循环的应用中应注意。镀覆Sn(1-4%)Bi表明在这种应用中有可能降低晶须生长。此外,根据至少一家引线框架供货商的证实,低孔隙的NiPdAu可用于这种应用。

20. 浸锡是一种化学替代工艺,采用这种工艺可以获得相当薄的(<40 micro-inch 或 1μm)无应力薄膜。在iNEMI小组成员的研究中发现,浸锡层上会生长晶须,不过,晶须长度一般局限在<20 micron。对于某些应用而言,浸锡是一种适用的、风险最低的选择,iNEMI用户小组中的一些公司已将其成功地应用于生产中。鉴于可焊性的搁置寿命方面的考虑,通常,这种涂层不适合于电子组件的应用。然而,可将无铅涂层方案的其中一种选用于印制电路板的应用中26。

21. 当将锡镀覆在钢件上时,应将缓解措施用于降低锡晶须风险。缓解的建议包括采用大于5μm厚的无光泽锡在180℃的退火温度下达1小时。(也可采用其它的退火时间和温度。)在钢和锡之间电镀铜底层或不电镀铜底层也能够达到这一目的27。还报道了镀覆镍底层对钢基板的影响28。iNEMI用户小组还意识到在60年代、70年代和80年代所报道的在钢上和黄铜上镀锡的退火的可应用性。退火温度范围在100-190℃,退火时间范围为9小时(在100℃下)——1小时(在190℃下)。

F. 其它方面的考虑与建议

22. 用户小组并没有将电路板组装再流工艺作为缓解措施。在公开发表的文献中,对于将组装再流工艺作为缓解锡晶须生长的一种有效工艺并没有达成一致意见。一些公开的数据数据显示组装再流工艺会导致松散组件的晶须生长上升29。在一些焊接后的组件上已观察到晶须生长的现象30。在特定镀覆表面上的局部再流会使晶须生长上升31。目前,对这种机理还无法解释,但是,像组件的几何形状和再流焊接的覆盖率这样的因素很有可能使我们对观察到的数据迷惑不解。还有一些为数不多的数据数据支持组装再流工艺可以降低合金42基体材料上的晶须生长的这种观点32。

23. 行业数据说明较厚的锡涂层显示出锡晶须生长的倾向较小和/或在产生锡晶须之前潜伏时间较长33。用户小组建议没有施加镍或银底层的组件的标称锡厚度至少为10μm,或更厚一些(最佳的最小值为8μm)。在镀覆镍或银底层时,最低的锡厚度为2μm,以确保可焊性的搁置寿命。镀覆了镍底层的组件应是无孔隙的,镍厚度最小为0.5μm。镀覆了银底层的组件银厚度最低为2μm。

24. 组装后采用敷形涂覆在某些方面显示出有可能降低晶须生长的速率。这种方法的作用似乎对于使用的材料类型和环境条件是有特定要求的。数据不支持敷形涂覆对晶须生长有补救的作用的这种说法。不过,却补充了可以防止短路的隔离阻挡层,避免产生长的晶须生长34。

25. 沈积锡的宏应力等级对锡晶须生长有影响35。在镀覆后锡沈积具有拉伸应力,而且经老化这种拉伸应力保持不变,这种做法得到人们的认可。在使用期限内锡沈积受到压缩这是不提倡的。

26. 对于偏压和/或偏流对晶须生长的影响,人们对此还没有充分的认识。在有限的测试中,有关偏压对锡晶须生长的影响的结果并没有明确的说明36。在一次测试中,光亮锡显示出对晶须生长有着明显的偏压影响,不过,在相同的测试中却对无光泽锡没有任何影响37。对于光亮锡的晶须生长的一次现场故障也表明:偏压对晶须生长有影响38。然而,在一些未公开结果的测试中说明在无光泽锡涂层中,偏压对晶须生长没有影响。目前,根据己知的数据,用户小组不相信偏压对晶须生长的影响是一个很重要的问题,而且不提倡对由于偏压或偏流而导致的锡涂层的晶须生长追加任何测试。

27. 由于不能完全了解锡晶须生长的机理,因此,收集有关镀锡特性方面的数据数据对于帮助提高有关影响锡晶须生长的参数的相关知识是至关重要的。JESD22A121.01,测量锡和锡合金表面涂层上的晶须生长,规定锡涂层的资料收集要求。用户小组建议应按照此标准来收集数据。


三、电子组件引线和端子涂层


电子组件引线和端子涂层指的是施用于电子组件的可焊涂层。施用这些涂层的有IC的引线框架、其它可焊组件的引线、分立组件的端子和施用于电子组件上镀覆管座的可焊涂层。

引线框架是可使芯片与印制电路板形成电气连接的金属薄片。目前,大多数引线框架是由铜或铜合金制成的。除此之外,某些引线框架仍是由铁镍合金(例如;合金42)制成的。一般来说,购置的引线框架都是没有涂层(或镀覆)的,在制造现场封装好的引线框架。锡引线框架的镀覆都是在模压加工后进行的。从历史上来看,主要的引线框架涂层以往是标称的含有7% -37% Pb的锡铅合金。然而,这种合金已在2005/2006 这两年间过渡到锡基无铅合金。大约有10%的引线框架涂层是NiPdAu,通常,组件组装制造厂家采购的产品都是预镀覆的产品。


四、可分离连接器


可分离连接器被定义为可形成连接/可断开连接的连接器,这种连接器配有一个可分离的接口,通过这个接口可以实现互连,一般来说,配有永久性连接的第二个接口,如像:压接的导线或PCB的一个焊点。可分离的连接器包括,例如:顺应性插接式连接器、扩充型连接器、PCB连接器和电缆连接器。可分离连接器通常在金膜的底部、锡/铅或钝锡上镀覆有镍底层。
 
许多连接器将锡用作为可焊涂层,并在可分离界面使用贵金属。如果在焊接过程中,镀锡完全润湿的话,在焊接后晶须生长的可能性会大大降低。因此,对于在可焊界面仅使用锡的一些公司就会有不同的可接受标准。

顺应性接插头(或压装插头)采用了一种接触式设计,在这种设计中,接触部分是以机械方式插入到印制电路板的镀覆通孔(PTH)中。在欧盟的RoHS指令中,将铅用于顺应性接插头端子是得到豁免的。由于每隔四年要对豁免项审查一次,所以,这种豁免最终可能会被取缔。

通常,顺应性接插头使用锡-铅镀层获取适当的插接力。用户小组的成员在无铅顺应性接插头上进行了测试,测试结果说明在取消涂层中的铅时插接力和保持力度就会提高。在多数应用中提高插接力是可以接受的。插接力的提高与由光亮锡/铅涂层向无光泽锡涂层的转换有很大关系。光亮锡涂层呈现出对等于或低于光亮锡-铅的插接力,不过,应对镍层上的任意镀锡层进行检查,以便确认在应力诱导应用中的晶须性能。

在用于螺栓紧固的连接器上的端子涂层上施加高应力会加速晶须生长。螺栓紧固的连接器通常是环状的(环形接线片),其是用螺栓向下紧固在基体金属上,常常是使用Belleville垫圈组装,时常保持高扭矩。几十年来,其中的许多产品已用于纯锡涂层,其中的许多涂层已产生了锡晶须。必须对有可能暴露于敏感性电子电路的各种应用进行分析。例如:可将在气流中形成的电子电路的紧固连接视为敏感位置。不应将形成晶须的材料用于敏感位置。


五、汇流条


通常,汇流条是由铜或铜合金制成的。铝也可用于某些应用中。这些部件特别有意义,因为通常其在极接近于电子电路的位置。如果这些组装件移位和短路的话,就会产生一些晶须问题。因此,不要使用可能会产生晶须和晶须生长的镀覆材料是明智之举。如果可能的话,在允许使用的情况下,建议最好不要镀覆汇流条。在非腐蚀的环境条件下,基体铜材的冶金性能也会出现轻微的锈蚀,不过,部件的基本功能不受影响。在可能的情况下,应采用局部镀覆或接触电阻来提高可焊性,而不是锡,或使用锡晶须缓解措施。表3汇总了iNEMI用户小组的建议。 
      

六、散热器


通常,散热器是用铝(包括阳极铝)、铜或石墨制成的。石墨散热器一般是不涂覆涂料的,所以,石墨不存在锡晶须的问题。铜散热器一般要求涂覆涂层,而且对涂层的某些部分有可焊性方面的要求。如果铝散热器要求焊接的话,同样,通常采用选择性镀覆,或者是浸焊来提供可焊的表面。采用Sn的无铅镀覆的涂层存在着锡晶须生长的问题,由于使用的散热器一般与电子组件有关。当散热器涂层要承受机械安装应力时,不应使用锡基无铅涂层。表4概述了iNEMI锡晶须用户小组有关散热器的建议。


七、印制电路板(PCB)


PCB焊盘(铜制做)上的表面涂层的设计是为了使基体金属不氧化,这样,在组装过程中就不会产生不良焊点。HASL(热风焊料整平)锡-铅涂层是过去五十年中广泛使用的一种涂层。为满足法规的要求,必须采用无铅表面涂层的替代产品。这些无铅涂层包括有机可焊性保护涂层(OSP)、化学镀镍层上浸金、电镀镍层上电镀金、无铅HASL、浸银和浸锡。在这些表面涂层中,浸锡很有可能形成纯锡晶须,而浸银则很有可能产生硫化银枝晶。锡晶须和硫化银枝晶都会出现短路的问题,然而,其产生机理和所要求的环境条件是不同的。

有关SnCu HASL涂覆的 PCB上的锡晶须到目前还没有报道。然而,应注意的是,将SnCu HASL作为板涂层是为数不多的。就所有这些涂层而言,在膜质量、抗腐蚀性、搁置寿命等方面,各种涂料所采用的工艺也是完全不同的。用户应与工艺的提供者共同来评估各工艺的特点。且不说晶须生长和枝晶生长,表面涂层的其它方面也会影响到选择,包括某些组装工艺、组件类型和板设计的成本、搁置寿命、可焊性、可制造性、抗腐蚀性和技术上的局限性。
表5是 iNEMI用户小组各成员就有关上述的PCB涂覆工艺的评估汇总


八、将来的工作


iNEMI用户小组将定期召开会议商讨有关锡晶须方面的新数据数据的内容。由于新数据数据肯定会有变化,所以,对以往的数据数据要进行更改和修订。


九、iNEMI联系方式


有兴趣参与iNEMI活动的各方可与Ronald W. Gedney (703-834-0330 或 rgedney@AOL.com)取得联系,以获得相关方面的信息。目前,iNEMI有三个项目小组针对锡晶须方面的问题正在重点从事下面的工作:
a. 锡晶须仿真项目-主席: Dr. George T. Galyon, IBM Corporation
b.  锡晶须加速测试项目-主席: Dr. Heidi Reynolds, Sun Microsystems
c.  用户小组-主席: Joe Smetana, Alcatel-Lucent

除了有关晶须基本内容和测试这三个项目外,在进行中的iNEMI活动项目还有无铅组装操作和材料。


参考资料:

1.  Tin (and Other Metal) Whisker Induced Failures, NASA Goddard Space Flight Center http://nepp.nasa.gov/whisker/failures/index.htm

2.   G. T. Galyon, C. Xu, S. Lal, B. Notohardjono, The 2nd iNEMI Tin Workshop, Orlando, FL, May 31, 2005.

3.   S.M. Arnold, "The Growth of Metal Whiskers on Electrical Components", Proc. of the IEEE Elec. Comp. Conf., pp. 75-82, 1959

4.   S. Lal and T. Moyer, "Role of Intrinsic Stresses in Phenomena of Tin Whiskers in Electrical Connectors", iNEMI Tin Whisker Workshop at ECTC 2004.

5.  W.K. Choi, S.K. Kang, Y.C. Sohn and D.Y. Shih, "Study of IMC Morphologies and Phase Characteristics Affected by the Reactions of Ni and Cu Metallurgies with Pb-Free Solder Joints", Electronic Components and Technology Conference, pp. 1190-1196, 2003.

6.  V.K. Glazunova, "A study of the Influence of Certain Factors on the Growth of Filamentary Tin Crystals", Kristallografiya,  Vol 7, No. 5, Sep-Oct. 1962, pp. 761-768, translated from Russian.

7.  S.M. Arnold, "The Growth of Metal Whiskers on Electrical Components", Proc. of the IEEE Elec. Comp. Conf., pp. 75-82, 1959.

8.  NEMI DOE 3-presented at ECTC 2005, Valeska Schroeder et. Al. To be published IEEE CPMT Transactions October 2006.

9.  Qualification Test Report of Tin Whisker, ERCS05-002, January 21, 2005 Development Department,  NEC TOKIN Iwate, Ltd.

10.  V.K. Glazunova and N.T. Kudryavtsev, "An Investigation of the Conditions of Spontaneous Growth of Filiform Crystals on Electrolytic Coatings", translated from Zhurnal Prikladnoi Khimii, 36(3): pp. 543-550, March 1963.

11.  V.K. Glazunova and N.T. Kudryavtsev, "An Investigation of the Conditions of Spontaneous Growth of Filiform Crystals on Electrolytic Coatings", translated from Zhurnal Prikladnoi Khimii, 36(3): pp. 543-550, March 1963.

12.  Ki-Hwan Park et. al., "Reliability of SnBi Lead Finished Lead-Free Product", 2002 International Symposium on Electronic Materials and Packaging.

13.  P. Snugovsky, J. McMahon, M. Romansky, L. Snugovsky, D. Perovic, and J.Rutter, "Microstructure and Properties of Sn-Pb Solder Joints with Sn-Bi Finished Components", APEX 2006, pp. S28-01-1 - S28-01-13

14.   Chudnovsky, Bella, "Degradation of power Contacts in Industrial Atmosphere: Silver Corrosion and Whiskers". Proceedings of the 48th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 2002

15.  W.J. Boettinger, C.E. Johnson, L.A. Bendersky, K.W. Moon, M.E. Williams, G.R. Stafford, "Whisker & Hillock Formation on Sn, Sn-Cu and Sn-Pb Electrodeposits", submitted to Acta Met.  (March 2005).

16.  S.C. Britton and M. Clarke, "Effects of diffusion from Brass Substrates into Electrodeposited Tin Coatings on Corrosion Resistance and Whisker Growth", Proceedings of the 6th International Metal Finishing Conference,  pp. 205-211, May 1964.

17.  Hilty, R.D., "Bright Tin for Whisker Mitigated Electronics Applications", IPC/JEDEC 11th Conference on Lead Free Electronics, Boston, MA, December 7, 2005

18.  P. Klkamp, "Lead (Pb) -Free Plating for Electronics and Avoidance of Whisker Formation",  Atotech Technical Publication available at http://www.atotech.com/data/publications/Pb_free_plating_for_electronics.pdf

19.  S.C. Britton, Spontaneous Growth of Whiskers on Tin Coatings:  20 Years of Observation, The Transactions of the Institute of Metal Finishing, Vol. 52, April 1974, pp 95-102.

20.  Oberndorff, P.J.T.L; Dittes, M; Petit, L; "Intermetallic Formation in Relation to Tin Whiskers" Proc. of the IPC/ Soldertec International Conference "Towards Implementation of the RHS Directive" June, 11-12 2003, Brussels, Belgium, pp. 170-178

21.  R. Schetty, "Whisker Growth Studies", Proceedings of IPC Annual Meeting, Session V, Paper B, October 2001, Orlando, FL, USA.

22.  Wan Zhang, Andre Egli, Felix Schwager, and Neil Brown, "Investigation of Sn-Cu Intermetallic Compounds by AFM: New Aspects of the Role of Intermetallic Compounds in Whisker Formation", IEEE Transactions on Electronic Packaging Manufacturing, 28(1), January 2005. 

23  M. W. Barsoum, E. N. Hoffman, R. D. Doherty, S. Gupta and A. Zavaliangos, "Driving Force and Mechanism for Spontaneous Metal Whisker Formation", Physical Review Letters, 93(20), pp. 206104-1 to 206104-4, Nov. 12, 2004.

24 P. Su et. al., "A Statistical Study of Sn Whisker Population and Growth during Elevated Temperature and Humidity Tests", IEEE CPMT Transactions on Tin Whiskers, October 2006. Also presented at the iNEMI Tin Whisker Workshop at ECTC, 2005 available at http://thor.inemi.org/webdownload/newsroom/Presentations/ECE/Tin%20Whisker%20Workshop%20May%202005/Statistical%20Study.pdf.

25  M. Dittes, et. al. "The Effect of Temperature Cycling on Tin Whisker Formation", Proceeding of IPC/JEDEC Conference 2003.

26 Draft IPC-4554, "Specification for Immersion Tin Plating for Printed Circuit Boards", 2005 by the IPC 4-14 Plating Process Subcommittee.

27 M. Rozen, "Practical Whisker Growth Control Methods", Plating, 55(11): pp. 1155-1168, November 1968

28  Dr. George Galyon, IBM, Private Communication, July 12, 2006.

29  J. Osenbach, R. Shook, B. Vaccaro, B. Pottieger, A. Amin, P. Ruengsinsub, and K. Hooghan, "The Effects of Board Assembly Reflow Processing on Sn Whisker Formation" , Proc. IPC/JEDEC Pb-Free Conference, Mar. 2004.

30 Heidi L. Reynolds, "Accelerated Tin Whisker Test Committee Evaluations, Update Phases 4 & 5", iNEMI Tin Whisker Workshop at ECTC 2006, Available at http://thor.inemi.org/webdownload/x1private/Presentations/TinWhiskerWorkshop2006/Test_Update_Reynolds.pdf

31 Dr. Bob Hilty, Tyco  Electronics, Private Communication, August 16, 2006

32 Greg Henshall, "Impact of second-level board assembly on tin whisker growth", Green Supply Line July 21, 2006. http://www.greensupplyline.com/shared/article/showArticle.jhtml?articleId=190900704

33 John W. Osenbach, Richard L. Shook, Brian T. Vaccaro, Brian D. Potteiger, Ahmed N. Amin, K. N. Hooghan, P. Suratkar, and P. Ruengsinsub, "Sn Whiskers: Material, Design, Processing, and Post-Plate Reflow Effects and Development of an Overall Phenomenological Theory", IEEE Transactions on Electronic Packaging Manufacturing, 28(1), January 2005. 

34 Thomas A. Woodrow and Eugene A. Ledbury, "Evaluation of Conformal Coatings as a Tin Whisker Mitigation Strategy", IPC/JEDEC 8th International Conference on Lead-Free Electronic Components and Assemblies, San Jose, CA, April 18-20, 2005.

35 G. T. Galyon, C. Xu, S. Lal, B. Notohardjono, The 2nd iNEMI Tin Workshop, Orlando, FL, May 31, 2005.

36 B. Hilty, N. Corman, F. Herrmann, Electrostatic Fields and Current Flow Impact on Whisker Growth, IEEE Transactions on Electronic Packaging Manufacturing, 28(1), January 2005. 

37 P. Oberndorff, M. Dittes, P. Crema, "Whisker Testing: Reality and Fiction", Electronics, June 2004, Amsterdam, The Netherlands.

38 NASA Goddard Space Flight Center, Anecdote #5: Field Failures Due to Tin Whiskers on Circuit Breaker Contacts, http://nepp.nasa.gov/whisker/anecdote/2003ckt_breaker/index.html

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