用表面涂料防止锡须凤险

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“在用表面涂料来缓解锡须方面,大量研究表明,锡须能够生长并穿过涂层。锡须穿透涂层风险的主要原因之一是涂层厚度不够。”锡须是在镀锡表面白发生长的一种锡晶体。这种锡晶体通常呈针状,由于这种异常现象的导电性,会使相 邻的导体桥连,产生漏电和短路的风 险。对于锡须的生长机制,以及可能 促使锡须生长的环境和机械因素,己 有很多研究 [1-5]。同样,在缓解锡须生长的方法方 法,也有很多研究 [6, 7]。Mathew 等人 研究缓解锡须的方法,例如使用表面 涂层,各种电镀技术,各种表面处理 方法,用锡合金,在锡下面电镀一层 其他金属以及退火 [6]。

        用表面涂层缓解锡须生长的办 法表明,不同的涂敷材料和不同的储 存环境条件对缓解锡须生长的效果 不一样。NASA 的研究 [8-10] 表明,对 于镀亮锡的黄铜试样,在表面涂敷 Uralane 基材料,当涂层厚度至少为 2.0 密尔时,在温度 50C、相对湿度50% 的环境中存放 9 年后,可以防止锡须穿透涂层。如果涂层薄于 2.0 密 尔,观察到锡须穿透涂层。

Woodrow 和 Ledbury 发 表 的 两 篇论文 [11, 12] 研究了在几种表面涂料 上的锡须生长。这两项研究使用的试 样是镀亮锡的黄铜。在 Woodrow 的 研究中,试样放在温度 50C、相对湿 度 50% 的环境中,在大约一年之后,锡须穿透厚度为 1.5 密耳和厚度小于1.5 密耳的涂层,但是,没有穿透厚度至少为 3.9 密耳的涂 层。Ledbury 研究了聚氨脂 – 丙烯酸混合涂层和有机硅、丙烯酸和聚对二甲苯涂料。试

用表面涂料防止锡须凤险
用表面涂料防止锡须凤险图 2 弯曲的试样。(注 :对于弯曲的试样,在镀锡 部位的压缩和拉伸使材料在进行弯曲过程后接着经 历放松过程,见示意图)。

表 1 测试时使用的表面涂料的特性

样放在温度 25C、相对湿度 97% 的 环境中。所有的试样都显示锡须穿透 涂层,甚至穿透涂层厚度 6.0 密尔的 试样。
马里兰大学的高级生命期工程 中心(CALCE)研究了表面涂层的 界面强度,和锡须的屈曲力进行对比 [13] ,最早进行这一研究的是 Kadesch 和 Leidecker[8]。初步测试指出,厚度 25 微米(约 1.0 密尔)或更薄的涂层, 弹性模量是 100mpa 或更小,有锡须 穿透的风险。Nakagawa 等人也认为, 附着力高的较硬涂层可能是防止锡须 穿透的最好材料 [14]。
Han 等人研究表面涂层的有效 性,在实际的电路板卡上用涂层缓解 锡须生长时,确定涂层的覆盖状态是 一个重要因素 [15]。如果涂层沿着元件 引线的边缘变薄,即使涂层从这个边 缘就开始急剧变厚,锡须有可能穿透 涂层。NPL 的 Hunt 和 Wickham 的工 作确认这个结论,他们通过他们设计 的测试工具确定,锡须在生长时倾向 于穿过涂层,和邻近的金属板接触 [16]。
对使用表面涂层作为缓解锡须 的技术的大量研究指出,锡须在生长时可以穿过涂层。由锡须引起的风险中,主要的风险之一是锡须穿透涂层。

虽然极端环境条件可能会促使镀锡型 试样上生长的锡须穿透厚度比较厚的 所有类型的涂层,锡须穿透厚度小于 2.0 密耳涂层的风险更大。

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本公司的所有电路板中,99% 的电路板分别使用三种不同的表面 涂敷材料,这三种涂敷材料是 :丙 烯酸、聚氨醋和聚对二甲苯。本文 研究这三种涂层的厚度对试样上锡 须生长的影响。
丙烯酸敷形涂料也许是最受欢迎的表面涂敷材料,这是由于这种材料很容易涂敷,也很容易去除 [17]。丙 烯酸树脂在涂敷后迅速干燥,几分钟内就能够达到最佳的物理性能,能够抗真菌,罐存期很长。另外,丙烯酸树脂在固化时产生的热量很少或不会 变热,没有损害热敏感元件的潜在风 险。它们在固化时不会收缩,具有良 好的防潮性能,玻璃转化温度低。

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聚氨醋涂料有单组分配方和双 组分配方 [14]。两种配方的抗潮性能都 很好,耐化学性远超过丙烯酸涂料。单组分聚氨醋树脂很容易涂敷,罐存 期长,不过,涂敷时,有时需要很长 的时间才能完全固化或最佳固化。在 加热时,双组分配方在一到二小时的 较短时间里可以最好地固化。不过, 和单组分配方相比,双组分配方的罐 存期可能比较短,有时这一点使它很 难处理。由于聚氨醋属于交叉链接的 聚合材料,因此具有很好的抗化学性, 抗潮性和抗溶性。聚氨醋涂层很硬, 表面耐磨,在温度变化很大时弹性模 量的变化很小。聚氨醋的粘性很好, 对大多数材料的附着力也很好,涂敷 工艺稳定可靠。固化后的聚氨醋涂层 很难去除,只能通过加热或机械方法 去掉。

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聚对二甲苯涂层是化学惰性的, 并且抗潮湿 [14]。均匀的很薄聚对二甲 苯涂层可以用于没有针眼或孔洞的表面。聚对二甲苯涂层具有很好的绝缘 性能。聚对二甲苯涂敷工艺的特点是 不会产生挥发物。在研究的这二种涂 料中,聚对二甲苯涂层的重量最小, 但弹性模量最大。聚对二甲苯涂敷工 艺必须以成批地进行, 且要使用专 用的涂敷设备。这种涂层的返工很困难,通常必须通过微研磨工艺来去掉涂层。
采用丙烯酸和聚氨醋材料的公司的喷涂工艺使用自动旋转喷头进行 喷涂。为这种喷涂工艺设计的移动喷头能够从所有角度覆盖给定的宽度。
喷涂时,不需要涂层的区域必须屏蔽。 聚对二甲苯是在室温用涂敷设备涂布,要控制涂敷速度和最终的厚度。这种聚合物的涂敷是在分子水平上分三个阶段进行。原材料在真空中 蒸发,加热成二聚物气体。然后气体 热解,二聚物分解成单体形式。单体 气体在室温的涂敷腔中沉积,形成透 明的聚合物薄膜。
除了元件引脚表面和涂层生长锡 须令人担忧,镀锡网状走线生长锡须 的风险也令人担忧。Hillman 等人指出, 在温度 85C和相对湿度 85% 环境中 的试样,镀锡的铜走线、编织线和带 状电缆生长锡须的风险比较小 [18]。

研究的范围和目标本文研究是为了考察三种涂层的锡须生长情况设计的,测试不同厚 度涂层对锡须生长的影响。此外,还 测试使用纯锡电镀的高可靠性产品的 编织线、绞合线和实心线进行测试, 确定这些产品生长锡须的风险。

研究表面涂敷材料缓解锡须生长 的作用试样的基板材料有两种类型(铜C110 和 42 号合金),在两种基板都 电镀了”亮锡”。铜 C110 和 42 号合 金是元件引脚的通用材料。在电镀 后和涂敷表面材料之前,在一些镀 锡试样刻出划痕,模拟产品在处理 和运输条件下可能出现的情况,其 他的一些镀锡试样做成弯曲的(没 有划痕),在镀锡层产生张力和压缩 应力。然后,在所有试样约一半表 面上涂敷涂料,剩下的另一半表面 不涂敷涂料。遮蔽试样,涂敷,然 后去掉遮蔽,保证涂层的厚度均匀, 在涂层的边缘没有变薄。把试样放 在一个能够控制温度、湿度的腔中, 促使锡须生长。
在预定的时间间隔把试样从温 度、湿度环境腔中取出,评估有涂层 和没有涂层表面上的锡须生长情况, 比较没有涂层表面和有涂层表面。收 集各个试样的数据,在高倍显微镜下 检查试样 拍显微照片,或者用电子 显微镜扫描。能量色散谱(EDS)分 析也能从冶金学的角度确认锡须这种 异常情况。所有收集的数据都保存起 来,记录 制成图表,用来说明锡须 的生长和其他的变化。
测试的三个主要目的是 :
1、考察镀亮锡试样上的锡须生 长 ;
2、证明镀亮锡试样上的涂层能 够防止、减轻或抑制锡须生长 ;
3、评估各种厚度涂层的锡须生 长,从而评估哪种材料和什么样的 涂层厚度对防止锡须生长提供最好的保护。


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