NEMI推荐:评估锡晶须生长倾向的标准测试方法
在电子组装领域中，随着产业无铅化的趋势，许多IC供应商正在积极评测并且供给无铅产品。
By Nhat Vo，Irina Boguslavsky and Peter Bush
虽然锡基电镀产品具有良好的防腐保护性和良好的可焊性，但是，含锡产品还具有晶须生长的潜在可能。既然我们已经考虑使用锡含量较高的合金来代替锡铅合金，那么，就需要标准测试方法来帮助更快评估和研发锡基无铅产品。该方法将对采用不同镀锡系统和工艺的晶须倾向性进行有意义的比较，为锡晶须检测提供统一协议，同时也提供了对结果进行比较和报告的标准化方法。
NEMI(美国全国电子制造促进会)在2001年建立了一个有关锡晶须生长的测试研究项目，以确定应用于晶须生长的快速测试方法。40多家公司参加了这个研究项目。一项权威性研究已经收集了现存所有有关晶须生长的方法。另外，项目组还鉴定、讨论了有关晶须的形成机理、比较测试方法、晶须生长的机制和基本原理。于是形成了一个独特的项目——锡晶须模式项目，可以评估不同的晶须生长原理。
锡晶须快速测试项目对4种主要的测试方法进行了评估，据报告这些方法可以在某些(而非全部)镀锡样品上生长出晶须。这些测试方法适用的条件分别是：在正常的办公环境下，在50℃-85℃的高温下，在相当高的湿度(85％～95％)下：以及在对流温度循环(-55℃／85℃)下。
MEMI推荐三项测试方法——两项储存条件和一项温度循环条件——来评估锡基产品晶须的生长倾向。此项目组已向JEDEC提交了一份用于发布的测试方法文件。
在测试的第一个阶段，首先将样品——电镀了亮锡、锡铅合金的铜样片和八引脚小外型集成电路封装器件(SOIC)预备好。因为研究资料指出，光亮的锡会更倾向于晶须的生长,所以我们选择了亮锡。然后样品接受所确定的四种环境条件多样混合的试验。结果发现，晶须只在光亮的镀锡铜片上形成，而且形成的量远远少于我们的想象，另外，有一些异形凸出成形于八引脚SOIC上，但是上面却没有证据表明产生过晶须。分析其原因，可能有两个：一是因为样品是在实验室环境中电镀的，故杂质和污染物的标准级别比较低，帮助阻止了晶须的生长，另外有可能当形成八引脚SOIC的焊端时，镀层合金将会裂变，从而减小了镀层应力，于是帮助阻止了晶须的生长。
第一阶段的研究结果不足结论性的；因此，项目组在组装实验室采用产品浸浴，对电镀封装(八引脚SOIC)进行其它的测试方法分析。
有两家IC供应商自愿赞助电镀的八引脚SOIC样品用于第二阶段的研究。供应商A提供的样品是在MSA液(甲烷磺酰酸)或含硫酸盐电解液电镀过的。供应商B提供的样品是在另一种MSA液电镀过的。这一阶段的评估和对锡铅样品的分析一样，包括对厚(10-12μm)的和薄(2-3μm)的无光泽锡样品的对比于下，表1列出了各测试条件下的的具体环境因素的不同组合。
·A=2-3μm,无光泽锡(硫酸盐）在OLIN194铜SOIC模型/单数
·B=10-12μm，无光泽锡(硫酸盐）在OLINl94铜SOIC模型/单数
·C=2-3μm，光亮锡在黄铜样片上
·D=10-12μm，90Sn／10Pb在OLINl94铜SOIC模型／单数(控制)
·E=2-3μm，无光泽锡(MSA甲烷磺酰酸)在OLINl94铜SOIC模型／单数
·F=10-12μm，无光泽锡(MSA)在OLINl94铜SOIC模型／单数
加热循环过程采用的足从-55℃(0，-10℃)至85℃(10℃，-0)循环的对流温度循环设备。温度／湿度试验使用的足适用于60℃／95±5％RH和300C／90±5RH环境的温度湿度舱。适宜的条件定为23℃和30％-60％RH(空调办公环境中)。用一台扫描电子显微镜(SEM)来检测晶须。
为了进行检测，有必要确定晶须的定义：“一种自发产生的、有很少分枝的柱形或者圆柱形细丝，是从电镀产品表面产生的单晶体。”锡晶须具有的纵横比(长／宽)。＞2；能够弯曲旋绕；具有一致的横截面形状：而且，在晶须周围有条纹状或者环状。
检测过程
引脚封装。从测试样品中随意选取的三个封装足从垂直、反向和反向旋转位置贴装的。如果直接进行检测的话，碳带或者涂料会产生导电通路，或者碳会在元器件上蒸发。放大300倍，可以检测三个随机定位的领域：a)引脚下方，b)引脚顶端，c)引脚侧面(图2)。第一个检测阶段用所选择的各区域代表元器件的全部条件。
样片。对于从测试样品中选择的的每个样品来说，如图3所示，放大300倍的图像至少要收集三张，并记录数据。同样，放大3000倍的图像也需收集以确定粒度。
计算并记录三个区域中所有的晶须。测量并记录每个区域中最长的晶须，如果有必要的话，采用较高的放大倍数。最后，从未受电镀干扰的区域中收集一张放大3000倍的图像。报告所估算的沉积点的尺寸范围。报告三个区域中晶须的平均数目，以及在这些区域中所发现的最长晶须的长度。报告信息还包括电镀日期、晶须测试条件(持续时间、温度、湿度、循环数目等等)以及检测日期。
每个电解槽要维持在针对每一工艺的最佳条件下。通过电镀前(to)和电镀结束后(tf)进行的原子吸收分析可以测试出金属杂质的级别(参见表2)。
第二阶段测试结果
对三项电镀工艺(两项基于MSA，一项基于硫酸盐的电镀)、两个沉积点厚度(2．5μm和10μm)的八引脚SOIC在各种测试条件下的晶须测试结果进行分析，可以发现，来自于供应商A的薄样品在所有测试条件下都比其它两个样品的晶须厚一些。然而，两项基于MSA的电镀工艺的厚样品，显示出类似的晶须性能。令人吃惊的是，来自供应商B的厚样品，比以同样电镀工艺的薄样品的晶须更多。对于厚样品来说，测试条件同时包括室温条件及30℃／90％RH条件时，产生的晶须明显比只在室温条件下或只在60℃／95％RH条件下要多。在基于硫酸盐的工艺过程中产生的沉积点，不管厚薄，都没有产生明显的晶须。在所有的测试条件下，锡铅(控制)样品都没有显示晶须生长倾向。
结论
第二阶段研究中评估的环境压力条件足以在八引脚SOIC上产生晶须。使用-55℃／85℃温度循环方法会有更多晶须生长。60℃／95％RH和30℃／90％RH的测试条件也会促使晶须生长，但是不女临度循环条件一样明显有效。
当最初进行温度循环时，温度和湿度这些附加条件不会对晶须长度或生成频率产生明显的影响。在所测试的沉积点厚度范围之内，晶须性能也无异样。
结果表明，电解化学／电镀工艺对晶须的生长具有重要影响。供应商提供的两个基于MSA的工艺有重大差异，并且，所测试的基于硫酸盐的化学电镀似乎比基于MSA的电镀具有更好的晶须性能，但是只比优秀的MSA电镀的性能稍好一点点。
在第二阶段试验的所有测试环境条件下形成于镀锡样品上的晶须，表明所推荐的测试方法完全能够对锡沉积点的晶须倾向进行评估。
这里所描述的锡晶须技术已经得到JEDEC的关注，JEDEC正在考虑将其当作行业标准。为了将来的评估以及建立晶须数据库，NEMI推荐三项测试条件：温度循环(-55℃／85℃，大约3个循环／小时)、60℃／93％RH温度湿度测试、正常环境(空调设备)。另外，NEMI与日本电子信息技术行业协会(JEITA)以及欧洲半导体联盟(E3)合作形成了统一的晶须测试方法。
用于证明第一阶段和第二阶段的评估结果的第三阶段的试验，是从2003年第四个季度开始的。其目的之一，就是要表明，如果使用同样的样品，所推荐的三项测试就会产生晶须。目的之二就是证实它们也同样适用于其它锡基(锡铋和锡铜)产品和其它样品类型。总之，为了获得每种测试方法的满意结果，仍需继续进行试验。当然，实验过程决定最终结果。
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2005-12-16
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