一、錫與銅的相互擴散

錫與銅之間相互擴散，會形成金屬互化物。在這個過程中，錫層內(nèi)壓應(yīng)力迅速增長。例如在電路板的線路連接部位，如果使用錫和銅的組合，隨著時間推移和環(huán)境因素影響，這種擴散作用就容易發(fā)生。由于應(yīng)力的變化，錫原子沿著晶體邊界進行擴散，從而形成錫須。這一現(xiàn)象在許多電路板的實際應(yīng)用場景中都可能出現(xiàn)，特別是在一些長期使用、高溫環(huán)境或者電路板過載的情況下，錫與銅的相互擴散速度會加快，進而促使錫須的生長 。

二、電鍍后鍍層的殘余應(yīng)力

電鍍工藝在電子元器件制造過程中較為常見。當進行電鍍操作后，鍍層往往存在殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力猶如一種潛在的驅(qū)動力，推動著錫原子的遷移。具體而言，鍍層中的原子在殘余應(yīng)力的作用下，其原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被打破，錫原子開始移動并逐步聚集、生長，最終形成錫須。從微觀角度看，鍍層原子的排列受到這種殘余應(yīng)力干擾，使得錫原子更容易突破原有的位置限制而開始生長。在一些大規(guī)模生產(chǎn)電路板的工廠流水線上，如果電鍍工藝的控制參數(shù)存在偏差，或者電鍍后沒有進行有效的應(yīng)力釋放處理，那么這種電鍍后鍍層的殘余應(yīng)力就很容易導(dǎo)致錫須的生長 。

三、應(yīng)力的影響

1. 機械應(yīng)力

• 在電路板組裝過程中，機械應(yīng)力的產(chǎn)生較為常見。例如，與軟性印刷電路板連接時，大多以連接器夾持FPC引腳的方式進行連接。在此過程中，軟性印刷電路板FPC上的金屬引腳會受到來自連接器內(nèi)金屬的夾持壓力，這種外部施加的壓縮性機械應(yīng)力，容易加速錫須的生長。就像在生產(chǎn)手機主板時，主板與其他部件的連接如果設(shè)計不合理或者組裝過程中受到外力擠壓等情況，就會產(chǎn)生類似的機械應(yīng)力問題。在軟性印刷電路板受壓力的邊緣處，經(jīng)常容易發(fā)現(xiàn)錫須的出現(xiàn)，這是因為這里的機械應(yīng)力最為集中和明顯，直接影響了錫原子的狀態(tài)，促使其形成錫須 。

2. 熱應(yīng)力

• 當產(chǎn)品遭受高、低溫度變化時，結(jié)合的兩種材料會因膨脹系數(shù)的不同而產(chǎn)生壓縮或拉張力。以錫（Sn）和銅（Cu）為例，Sn的膨脹系數(shù)比Cu高。在制程中，常常會有回流焊這個工藝過程，在從回流焊的高溫到室溫的過程中，Sn鍍層實際上承受著Cu底材牽制產(chǎn)生的拉張力。盡管如此，仍然可能出現(xiàn)錫須現(xiàn)象。其原因在于化學應(yīng)力促使錫須自發(fā)性成長的應(yīng)力遠大于熱應(yīng)力，并且鍍層中任何不均勻性會造成局部性壓縮應(yīng)力，這些因素綜合起來導(dǎo)致了錫須的產(chǎn)生 。

3. 化學應(yīng)力

• 以常見的Cu底材金屬腳為例，Sn和Cu產(chǎn)生介面金屬合金IMC的反應(yīng)是化學應(yīng)力的主要來源。通常在室溫下，Cu原子便會自然地擴散進入Sn，從而產(chǎn)生Cu6Sn5介面金屬合金IMC。這種物質(zhì)介于Sn和Cu之間，會形成一股推力。因為這種反應(yīng)在室溫下就可以持續(xù)進行，不斷地提供化學應(yīng)力，迫使Sn層受到推擠的應(yīng)力，進而為錫須的生長創(chuàng)造了條件。在一些對電子元器件要求較高、化學環(huán)境復(fù)雜的電子設(shè)備中，例如化工行業(yè)中的某些檢測儀器電路板，化學應(yīng)力導(dǎo)致的錫須生長可能會影響設(shè)備的準確性和穩(wěn)定性 。

四、微觀結(jié)構(gòu)與成分相關(guān)

1. 鍍層晶粒大小與取向

• 鍍層的晶粒大小和取向?qū)﹀a須生長有影響。如果鍍層的晶粒較為細小，那么錫原子之間的束縛相對較弱，原子更容易移動。而晶粒取向在一定程度上決定了原子擴散的路徑。例如，在一些晶界處，原子的排列較為混亂，能量相對較高，成為錫原子擴散的優(yōu)先途徑。如果晶粒取向不利于原子的穩(wěn)定存在，就會促使錫原子沿著晶界等地方擴散，最終導(dǎo)致錫須的生長。在電子電鍍工藝中，如果不能精確控制鍍層晶粒的大小與取向，就可能引發(fā)錫須生長的隱患。

2. 合金元素與合金結(jié)構(gòu)

• 不同的合金元素組成的合金結(jié)構(gòu)對錫須生長的敏感性不同。例如在錫鉛（Sn - Pb）合金中，曾發(fā)現(xiàn)鉛的存在可以在一定程度上減小錫須的生長傾向，但由于鉛是一種有毒的重金屬，并且電子產(chǎn)品中焊料用鉛在技術(shù)上難以回收，隨著環(huán)保要求提高，無鉛化成為趨勢，純Sn、Sn - Bi、Sn - Cu、Sn - Ag等合金被廣泛研究，然而它們均被發(fā)現(xiàn)有潛在的錫須自發(fā)生長問題。這是因為不同的合金元素改變了錫原子的化學鍵環(huán)境、原子排列等微觀結(jié)構(gòu)，從而影響了應(yīng)力分布和原子擴散行為，進而影響錫須的萌發(fā)與生長 。

五、環(huán)境因素

1. 溫度

• 溫度對錫須生長影響顯著。適度的溫度能夠為錫原子提供足夠的能量進行表面擴散。一般認為50 - 60°C是最適宜錫須生長的溫度，這是因為在此溫度區(qū)間，錫原子獲得的能量既能滿足其擴散需求，又不會過于活躍造成其他影響。當溫度超過100°C后，應(yīng)力（錫須生長的驅(qū)動力）會被松弛，反而不利于錫須生長，據(jù)報導(dǎo)，錫須在115°C時生長變慢，到150°C以上就停止生長。例如在一些高溫環(huán)境的電子設(shè)備中，如高溫爐附近使用的電路板，錫須生長情況可能與常溫環(huán)境會有很大不同。如果不小心遭遇高溫，原本可能出現(xiàn)的錫須生長現(xiàn)象也許會減緩或者停止，但如果在最適宜溫度范圍內(nèi)長時間放置，錫須生長就會加劇 。

2. 濕度

• 濕度是影響錫須生長的另一個關(guān)鍵因素。相對濕度越高，錫須生長越快，尤其當相對濕度達到85%以上時。這是因為在適宜的濕度條件下，錫表面能夠形成一層氧化膜，該氧化膜能夠促進錫須的生長。然而，過高的濕度可能導(dǎo)致氧化膜過厚，從而阻礙錫須的正常生長。例如在潮濕的南方地區(qū)，電路板在沒有良好防護的情況下，如果濕度持續(xù)處于高位，電路板上電子元器件的錫須生長情況可能就比較嚴重。在一些對濕度敏感的電子元器件制造工藝和使用場景中，必須要對濕度進行嚴格管控，以避免錫須生長影響產(chǎn)品質(zhì)量和性能 。

3. 離子污染

• 環(huán)境中的離子污染也會影響錫須生長。如果電路板暴露在含有較多離子污染物（如氯離子、硫酸根離子等）的環(huán)境中，這些離子可能會與錫層發(fā)生化學反應(yīng)。例如，氯離子可能會腐蝕錫層，破壞其原有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這種腐蝕作用會改變錫層的應(yīng)力狀態(tài)和原子鍵合情況，促使錫原子更容易擴散并生長成為錫須。在一些化工生產(chǎn)車間或者沿海地區(qū)的電子設(shè)備中，如果沒有做好防護，含有鹽分和化學污染物的空氣容易侵入設(shè)備內(nèi)部，引發(fā)電路板元件的錫須生長問題。

4. 電遷移現(xiàn)象

• 在有電流通過的情況下，可能會出現(xiàn)電遷移現(xiàn)象。電遷移是指在電流應(yīng)力作用下，原子或離子隨電子遷移而導(dǎo)致的成分偏析以致出現(xiàn)丘凸和空洞等材料結(jié)構(gòu)缺陷的現(xiàn)象。對于錫鍍層，電遷移會加速錫原子的擴散。例如，在高密度電流通過電路板的電子元件時，電遷移會導(dǎo)致在陰極首先出現(xiàn)圓形空洞，隨后在兩極均形成圓形空洞，并且在陰極處還發(fā)現(xiàn)有微裂紋存在。隨著電遷移時間的增加，錫須長度不斷增加，在0.3×104A/cm2恒定電流密度下，隨著電遷移時間分別為0，48，144和240h的增加，陽極錫須的最大長度明顯比陰極的要長。這是因為電遷移導(dǎo)致原子擴散而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，成為了錫須生長的驅(qū)動力之一 。