小鹏G3汽车曾因铜镀锡端子长锡须风险召回一万余量,可见锡须危害之大;在设计中,务必要抑制锡须生长、减少锡须生长、制止锡须生长;
一、到底什么是锡须?
锡须是从纯锡或锡合金镀层表面自发生长出来的一种细长形状的纯锡的结晶,其直径通常1~3μm,长度通常1μm~1mm,最长可达9mm;锡须一般呈直线形、弯曲形、扭结形和环状等,表面有条纹;
锡须有一定的载流能力,在电子线路中,锡须可能直接引起短路;锡须载流一般为10~50mA,当电流较大时,锡须会被烧断,其残体可能会桥接其它导体,从而引发短路;
二、锡须的生长机理;
一般认为锡须的生长是一种应力梯度作用下的蠕变行为,其生长的必要条件如下;
锡须生长的必要条件
三、锡须的生长过程(分为5个步骤);
步骤1:Cu/Sn结合界面发生原子相互扩散;
步骤2:受'晶界效应'影响,Cu主要向Sn晶粒的间隙处扩散,并且与Sn层中的Sn原子在晶粒间隙形成Cu6Sn5;由于Cu6Sn5比容比基体大,导致Sn层内产生压应力;
步骤3:由于Sn层晶粒存在大小不均的现象,所以形成的Cu6Sn5越多,产生的压应力越大,最终突破氧化膜的束缚而形成锡须;可见,Sn层中的压应力是锡须生长的根源;
步骤4:随着界面处Cu6Sn5层的继续生长对镀层产生持续的压应力,会继续向已经生长锡须的位置或氧化膜薄弱处释放压应力;由此在Sn层内部形成了持续的压力梯度,促使锡须生长;
步骤5:当Cu6Sn5层达到一定厚度,Cu向Sn的扩散速率会下降;随后在界面处生成的Cu3Sn会降低对镀层的压应力,从而锡须开始减缓生长速度,并逐渐因为缺乏应力源而停止生长;
根据锡须生长的5个过程,可分为孕育期、快速生长期和低速生长至停止期三个阶段;
四、锡须带来的失效形式;
失效形式主要有以下几种:
1.在低电压下,电流比较小,锡须可能在临近的不同电势表面产生短路;
2.在高电压下,电流过高而超过锡须的熔断电流时(通常为50mA),锡须会熔断而导致短路;
3.在车载振动环境中,锡须会脱落,它不但会引发上述的短路,还可能造成电气故障或损坏;
锡须一般在电镀之后几年甚至几十年才开始生长,因此对产品的可靠性造成潜在的危害比较大;
五、如何抑制锡须的生长;
1.对于铜母排(镀锡),可以采取如下几种方式;
镀镍铜排
①.镀锡后退火去应力,将镀锡铜排经过一个短时间的高温处理,可以减少或消除Sn层的残余应力;
②.使用中间镀层;先打镍底再镀锡,镍作为中间镀层(隔离层)分隔Cu/Sn界面,阻止Cu向Sn的扩散,消除锡须生长的驱动力;
③.合适Sn层厚度(8μm~20μm),防止Sn层过薄导致锡须过多生长;
④.尽量避免外界机械应力或刮擦;外界机械应力或刮擦会在镀层表面形成薄弱区域,在内应力的作用下,锡须易于从这些薄弱区域生长出来;
⑤.smt和波峰焊铜排可采用镀雾锡(亮锡的晶粒尺寸一般小于1μm,比较有利于锡须的生长,而雾锡的晶粒尺寸一般大于1μm,镀层的内应力较小,锡须生长的几率较小);
⑥.普通的铜母排可采用镀镍工艺;
2.对于PCB板过炉所需的焊锡,可以将焊料合金化;通过加入Ag、Bi、Cu、Ni类金属元素,降低含量的锡含量,从而抑制Sn原子的扩散,降低锡须生长的风险;
这次的要点总结如下;
一、到底什么是锡须?
二、锡须的生长机理;
三、锡须的生长过程(分为5个步骤);
四、锡须带来的失效形式;
五、如何抑制锡须的生长;
1.对于铜母排(镀锡);
2.对于PCB板过炉所需的焊锡;
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