锡晶须的生长及用途与前景分析
1锡晶须发生的五种基本环境影响
锡晶须成长的基本动力是在室温附近的Sn或者合金元素的异常迅速扩散。Sn镀层即使在室温下，镀层中的原子也会自由运动，在加上“环境”或者“驱动力”，更会促进元素的扩散，从镀层表面的一个“出口”成长为晶须。
锡晶须发生的环境条件可以理解为以下五种：
(1)室温下的晶须；
(2)温度循环中发生的晶须；
(3)氧化和腐蚀中发生的晶须；
(4)外压下发生的晶须；
(5)电迁移中发生的晶须。
上述五种环境在镀层内部产生压缩应力，促进元素的扩散而发生晶须。第5种环境出现在安装形态的功率半导体或者倒芯片等特殊情况下，一般安装基板中不会发生。
2室温晶须的发生和成长
图1表示了铜引线架的锡镀层在室温下发生的晶须。由图1可以容易的理解室温下的晶须发生和成长。在室温下晶须的发生中，锡镀层铜界面上形成的Cu6Sn5，化合物在镀层内部产生压缩应力是发生晶须的主要原凶。图2表示了铜线路上镀锡以后和放置28日以后观察铜的表面所发现的Cu6Sn5，结晶的分布状态。由图2可知，Cu6sn5。结晶不仅在镀层与基板的整个界面上而是沿着锡镀层的粒界成长。
图3表示了室温晶须的发生机理。首先，在室温附近，沿着锡镀层的粒界产生快速的铜原子的扩散，从沿着锡粒界的界面成长为Cu6Sn5，粒子，由此产生的体积膨胀，一种说法是20％，另一种认为可达到58％。不管怎样，锡粒界与基板的交叉处产生大的体积膨胀，结果在镀层中产生压缩应力。
图1 铜引线架的锡镀层在室温下发生的晶须
如果根据这种机理，可以发现晶须发生成长的参数。首先是不均匀化合物形成容易度的影响较大。在铜的情况下，铜基板本身成为铜往锡镀层中扩散的扩散源。如果基板是镍，同样形成与锡的化合物，但它的成长非常缓慢，难以发生晶须。所以如果以镍层作为锡镀层的基底镀层，则可有效抑制室温晶须。“42”合金比镍更加稳定。黄铜对于室温晶须化合物形成比较缓慢，基本上具有抑制晶须的效果，但是黄铜中的锌在易于活动的高温环境下，锌扩散到锡镀层中而氧化，由于体积膨胀作用而发生压缩应力，助长晶须发生，这种情况需要加以注意。此外，即使使用铜为基材，由于事前的热处理，在整个界面上形成层状化合物层，化合物层中的铜扩散相当缓慢，因此也有抑制晶须的效果。欧美主张的150℃热处理就是根据这种原理的。当然，利用再流焊处理也可以在界面上均匀的形成化合物，因此可以发挥室温晶须的抑制效果。
覆盖在锡镀层表面的氧化膜的存在，它的状态尚未充分了解，对于晶须形成的效果成为议论的对象。首先，锡的表面镀层或迟或早的氧化，覆盖了膜状氧化物。人们曾经认为锡表面覆盖的氧化物的状态如果被打破，就会从该处释放应力，导致晶须发生和成长。锡镀层以特殊的一致方位成长，例如许多结晶粒向着321方位的镀层中，如果偶尔存在向着别的方位的结晶粒，那么这种特异的结晶粒就会集中压缩应力，成为晶须的核。因为结晶粒本身的膨起，氧化膜就会在粒界处破断，进而晶须发生和成长。
3温度循环(热冲击)晶须的发生和成长
温度循环或者热冲击发生的晶须是比较容易理解的晶须，在使用与Sn镀层的热膨胀性差别大的“42”合金等电极或陶瓷元件时成为问题。图4表示了陶瓷芯片元件的电极上发生的晶须例。这种类型的晶须是因为温度循环试验的性格，产生应力高速变化的镀层变形，晶须也高速成长。图5表示了各种基材上镀锡，在热冲击时的晶须发生密度例，横轴表示在计算求出的镀层上发生的压缩应力，纵轴表示晶须发生频度。由图5可知，热膨胀系数的偏移越大，越会增大晶须发生密度。铜引线元件的热膨胀系数接近于S n，几乎不会发生晶须。
选择上述元件虽然可以抑制温度循环或者热冲击中成长的晶须，但是即使热膨胀差别大的组合也不会比其它的晶须显著成长。在使用合金型的陶瓷芯片元件镀层的寿命评价中，成长50um长度的晶须估计需要100年。
4氧化和腐蚀晶须的发生和成长
如上所述，在室温下成长的晶须，不会受使用温度而加速，少许湿度变化没有影响。如果环境中有明显的湿度变化，锡的氧化就会异常进行，形成不均质性的氧化膜，导致镀层发生应力。这种氧化和腐蚀产生的晶须，在晶须加速评价中往往与室温晶须评价混同，曾一度引起混乱。
图6表示了IC引线架在高温试验中发生的晶须。在该例中，在高温高湿试验下产生凝结，引线架镀层受到腐蚀。
图7表示了各种环境下锡晶须发生成长随着时间的变化，它表示采用不会凝结的各种条件实施高温高湿试验时的最大晶须长度的变化。室温(ROOmAmbient)放置时不会发生晶须，但是有趣的是即使在85℃／85％RH的严厉条件下也不会发生晶须。晶须最易成长的条件是60℃／93％RH。此外，在多数情况下氧化／腐蚀晶须存在潜伏期。在图7中，直到2000h不会发生晶须，但从此时开始才成长晶须。实际上在这种条件下，即使Sn—Pb合金镀层也会发生晶须，对于氧化，铅也没有多大影响。另一个有趣的现象是仅用元件单体进行试验，观察到晶须发生，然而即使基板安装的同样元件进行试验，却不会发生晶须。这种差别虽然还没有很好的解释，但是安装用的助焊剂作为残渣覆盖表面，具有抑制晶须的保护层作用。然而人们担心这种残渣会引起腐蚀。因为镀层和焊料本身也会发生晶须，因此必须留意元件单体与安装基板的连接点。
比锡容易氧化的合金元素情况下，合金元素扩散到表面，界面或者粒界，还有氧化的情况。图8表示了Sn—Zn类焊料在85℃／85％RH的条件下进行高温高湿试验以后的表面附近组织状态。表面附近的zn集积在粒界上，变化成氧化锌(znO)随着试验时间的推移，从表面往里的Zn0形成深度增加，还会受到第3元素存在的影响(如果存在Bi或者Pb，则会加速氧化)。在zn氧化为zn0的反应中体积膨胀达到57％，产生压缩应力而发生晶须。此外含有容易氧化的In时也会发生晶须。
这种类型的晶须还没有获得关于成长的预测方式。由于焊剂、合金元素或基材材质等产生的氧化状态变化大，希望采取可行的抑制对策。实际上，在近来的基板安装时发现了zn的微量合金化的效果。
5外压力晶须的发生和成长
锡晶须之所以成为无铅化用途中的大问题是由于细节距的连接器。镀覆锡镀层或者Sn—Cu合金镀层端子的挠性电缆和连接器的接触部分产生故障。20世纪50年代成为大问题的完全同样的现象再次出现在无铅化上。
图9表示了镀覆Sn-Cu合金镀层的触点侧／AuFPC发生的晶须。由图9可知，触点尖端的锡镀层上产生相当大的塑性变形，这种塑性变形是由于锡的柔软性造成的，但是它可以赋予良好的电气接触。在接触的周围扩展了称为瘤状物的晶须预备军。锡晶须就是由这种瘤状物发生的。
图10表示了以陶瓷球为压力块，在镀层表面上施加压力进行接触模拟试验时的压痕截面组织。由图10可知，压痕下面的锡结晶粒呈现柱状晶的大变形，压痕边缘的晶须发生附近出现显著再结晶。
图11表示了镀层种类，嵌合压力和再流焊处理等对晶须发生的影响。再流焊处理的影响复杂，最近通过使用有限要素法的CAE对于外压力F晶须产生的各种参数，从这些试验中可以获得对于外压力晶须产生的(理论上)机理解析。
6各种晶须的对策和评价的标准化
关于产生晶须的主要机理整理归纳如下：
(1)S n或者其它元素的扩散。
(2)界面或者粒界的化合物形成所产生的内部压缩应力。
(3)sn表面的氧化膜状态和显著的氧化或者腐蚀，热膨胀失配(不匹配)所产生的压缩应力和热疲劳龟裂。
(4)添加元素或者污染(B i、P b……)所产生的力建扩散。
(5)外力作用下所产生的各种塑性变形加速了扩散。
(6)影响电子流动的电迁移。
(7)结晶粒的取向性，形状(柱状或等轴)和粒界角度的影响。
(8)无光、光亮和光亮处理的差别一与粒径的关系。
(9)添加元素、氧化条件、基材和助焊剂对镀层膜构造或腐蚀的影响。
锡晶须对策应该根据上述参数采取相应的操作策略。下面概述了晶须抑制的可行性对策。
6．1 抑制元素扩散
元素扩散是由各种机理产生的抑制元素扩散是一件跨时代的事件，希望利用合金化来影响扩散，不过旨在抑制晶须发生的系统相当困难。
6．2 界面和粒界化合物形成的抑制
抑制界面和粒界的化合物形成是抑制室温晶须成长的对策。为了防止沿着Sn粒界处形成Cu6sn5，不要使用铜引线架，而是使用“42”合金、黄铜或者镀镍层为基底镀层等都是可行的对策。1 50℃时热处理30min．60min或者施行再流焊处理在整个截面上形成扩散阻挡层的化合物的方法也有同样效果。镀层结晶粒的控制方向尚未确定，但是提出了故意的粗化基材表面以便微细的控制镀层结构的方法。如果考虑铅的添加作用，也许可能具有等轴晶的镀层结晶粒的作用。
6．3缓和压缩应力
虽然缓和压缩应力已成为根本的问题，但是尚无充分的解决方法。因为如上所述的镀层厚度或者结晶粒构造也会影响，因此希望有最适宜缓和压缩应力的方法。在连接器等情况下，要考虑到接触部角度等的设计以及压缩应力和材质等参数。采用有限要素法等模拟设计是一种好方法。如果考虑到铅的添加效果，也许可以缓和柔软相的分散。最近采用两层构造镀层也可以缓和外压力下的应力。
6．4 电镀工艺和厚度的控制
镀锡的工艺条件特别是镀层厚度的效果较大。2 um左右的锡镀层厚度最容易成长晶须，因此采用更厚些或者更薄些的锡镀层是一种对策。但是如果锡镀层薄到2um以下，则由于铜的扩散，镀层就会瞬间的成为金属互化合物。虽然理所当然的不会产生晶须，但是由于湿润性劣化和接触电阻高而受到实用上的限制。虽然厚镀层的效果很好理解，但是厚镀层的镀层内部应力有变化，结晶取向性、粒子尺或构造等也会变化。镀速和杂质等也是重要的因素，必须综合考虑这些工艺参数。
6．5控制氧化膜或镀层表面
为了阐明锡氧化膜构造，必须进行合金化或者组织控制等基础研究。尤其是氧化膜具有数微米厚度的纳米构造，它需要进行状态解析的高度技术。因为氧化膜不仅会影响锡晶须而且还会影响湿润性控制等各种焊料特性，因此无论如何都要阐明它的状态。铅氧化膜的效果如何?还有纯锡和合金的氧化构造如何?诸如词类的问题堆积如山。
最近还在研究表面上施加有机膜或者薄镀层的效果。因为如果有机膜破坏就会成长晶须，因此不能期待有任何效果。如果在锡镀层上镀覆lum以下的薄状态镍层，则可以获得抑制室温晶须或者外压力晶须生长的效果。考虑到这些镀层表面状态控制技术的各种变化，有待今后的进一步研究。
表1介绍了晶须的主要评价标准。现在IEC的标准化已经到了最终阶段。表1表示的是与美国的JEDEC规格比较的一般认知概要。这些评价标准是基于目前对锡晶须的理解，今后随着对锡晶须的机理解析，将会进一步修正。
7锡晶须对策的未来
上面介绍了锡晶须理解的现状。20世纪50年代至20世纪60年代，产业界和研究机构虽然对晶须有所研究，但是未能把握机会。2000年以后，随着无铅化的要求而再次发生问题，技术人员面临着驱使最新知识和尖端装置的再挑战。在这数年间，人们逐步理解了锡晶须的发生原理，并且根据这种原理提出了可能的若干对策。为了确保制品的可靠性，提出的技术原理需要确认，还存在着制品寿命保证或者可靠性试验方法的确立等难题，这些制品包括民生数字设备。在美国，把高可靠性置于重点的组织活动已经取得了成果，例如以INIME为中心产业界活动或者以CALSE等大学为主体的财团活动非常活跃。实际上美国以基础研究为首，韩国或者台湾等也积极的组织活动。日本以JEITA为中心的晶须对策活动于2006年开始活动，年末中小企业基础整备机构正式列入国家计划，有段时间基础研究有些迟缓，今后包括晶须抑制对策在内的基础研究都将会卷土重来，并有望取得成果。