用表面涂料防止锡须凤险

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“在用表面塗料來緩解錫須方面,大量研究表明,錫須能夠生長並穿過塗層。錫須穿透塗層風險的主要原因之一是塗層厚度不夠。”錫須是在鍍錫表面白髮生長的一種錫晶體。這種錫晶體通常呈針狀,由於這種異常現象的導電性,會使相 鄰的導體橋連,產生漏電和短路的風 險。對於錫須的生長機制,以及可能 促使錫鬚生長的環境和機械因素,己 有很多研究 [1-5]。同樣,在緩解錫鬚生長的方法方 法,也有很多研究 [6, 7]。Mathew 等人 研究緩解錫須的方法,例如使用表面 塗層,各種電鍍技術,各種表面處理 方法,用錫合金,在錫下面電鍍一層 其他金屬以及退火 [6]。


用表面塗層緩解錫鬚生長的辦 法表明,不同的塗敷材料和不同的儲 存環境條件對緩解錫鬚生長的效果 不一樣。NASA 的研究 [8-10] 表明,對 於鍍亮錫的黃銅試樣,在表面塗敷 Uralane 基材料,當塗層厚度至少為 2.0 密爾時,在溫度 50C、相對濕度50% 的環境中存放 9 年後,可以防止錫須穿透塗層。如果塗層薄於 2.0 密 爾,觀察到錫須穿透塗層。

Woodrow 和 Ledbury 發 表 的 兩 篇論文 [11, 12] 研究了在幾種表面塗料 上的錫鬚生長。這兩項研究使用的試 樣是鍍亮錫的黃銅。在 Woodrow 的 研究中,試樣放在溫度 50C、相對濕 度 50% 的環境中,在大約一年之後,錫須穿透厚度為 1.5 密耳和厚度小於1.5 密耳的塗層,但是,沒有穿透厚度至少為 3.9 密耳的塗 層。Ledbury 研究了聚氨脂 – 丙烯酸混合塗層和有機矽、丙烯酸和聚對二甲苯塗料。試


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圖 2 彎曲的試樣。(注 :對於彎曲的試樣,在鍍錫 部位的壓縮和拉伸使材料在進行彎曲過程後接著經 曆放鬆過程,見示意圖)。

表 1 測試時使用的表面塗料的特性

樣放在溫度 25C、相對濕度 97% 的 環境中。所有的試樣都顯示錫須穿透 塗層,甚至穿透塗層厚度 6.0 密爾的 試樣。
馬裡蘭大學的高級生命期工程 中心(CALCE)研究了表面塗層的 介面強度,和錫須的屈曲力進行對比 [13] ,最早進行這一研究的是 Kadesch 和 Leidecker[8]。初步測試指出,厚度 25 微米(約 1.0 密爾)或更薄的塗層, 彈性模量是 100mpa 或更小,有錫須 穿透的風險。Nakagawa 等人也認為, 附著力高的較硬塗層可能是防止錫須 穿透的最好材料 [14]。
Han 等人研究表面塗層的有效 性,在實際的電路板卡上用塗層緩解 錫鬚生長時,確定塗層的覆蓋狀態是 一個重要因素 [15]。如果塗層沿著元件 引線的邊緣變薄,即使塗層從這個邊 緣就開始急劇變厚,錫須有可能穿透 塗層。NPL 的 Hunt 和 Wickham 的工 作確認這個結論,他們通過他們設計 的測試工具確定,錫須在生長時傾向 於穿過塗層,和鄰近的金屬板接觸 [16]。
對使用表面塗層作為緩解錫須 的技術的大量研究指出,錫須在生長時可以穿過塗層。由錫須引起的風險中,主要的風險之一是錫須穿透塗層。

雖然極端環境條件可能會促使鍍錫型 試樣上生長的錫須穿透厚度比較厚的 所有類型的塗層,錫須穿透厚度小於 2.0 密耳塗層的風險更大。

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本公司的所有電路板中,99%的電路板分別使用三種不同的表面塗敷資料,這三種塗敷資料是:丙烯酸、聚氨醋和聚對二甲苯。本文研究這三種塗層的厚度對試樣上錫須生長的影響。
丙烯酸敷形塗料也許是最受歡迎的表面塗敷資料,這是由於這種資料很容易塗敷,也很容易去除[17]。丙烯酸樹脂在塗敷後迅速乾燥,幾分鐘內就能够達到最佳的物理性能,能够抗真菌,罐存期很長。另外,丙烯酸樹脂在固化時產生的熱量很少或不會變熱,沒有損害熱敏感元件的潛在風險。它們在固化時不會收縮,具有良好的防潮效能,玻璃轉化溫度低。

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聚氨醋塗料有單組分配方和雙組分配方[14]。兩種配方的抗潮效能都很好,耐化學性遠超過丙烯酸塗料。單組分聚氨醋樹脂很容易塗敷,罐存期長,不過,塗敷時,有時需要很長的時間才能完全固化或最佳固化。在加熱時,雙組分配方在一到二小時的較短時間裏可以最好地固化。不過,和單組分配方相比,雙組分配方的罐存期可能比較短,有時這一點使它很難處理。由於聚氨醋屬於交叉連結的聚合資料,囙此具有很好的抗化學性,抗潮性和抗溶性。聚氨醋塗層很硬,表面耐磨,在溫度變化很大時彈性模量的變化很小。聚氨醋的粘性很好,對大多數資料的附著力也很好,塗敷工藝穩定可靠。固化後的聚氨醋塗層很難去除,只能通過加熱或機械方法去掉。

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聚對二甲苯塗層是化學惰性的,並且抗潮濕[14]。均勻的很薄聚對二甲苯塗層可以用於沒有針眼或孔洞的表面。聚對二甲苯塗層具有很好的絕緣效能。聚對二甲苯塗敷工藝的特點是不會產生揮發物。在研究的這二種塗料中,聚對二甲苯塗層的重量最小,但彈性模量最大。聚對二甲苯塗敷工藝必須以成批地進行,且要使用專用的塗敷設備。這種塗層的返工很困難,通常必須通過微研磨工藝來去掉塗層。

採用丙烯酸和聚氨醋資料的公司的噴塗工藝使用自動旋轉噴頭進行噴塗。為這種噴塗工藝設計的移動噴頭能够從所有角度覆蓋給定的寬度。

噴塗時,不需要塗層的區域必須遮罩。聚對二甲苯是在室溫用塗敷設備塗布,要控制塗敷速度和最終的厚度。這種聚合物的塗敷是在分子水准上分三個階段進行。原材料在真空中蒸發,加熱成二聚物氣體。然後氣體熱解,二聚物分解成單體形式。單體氣體在室溫的塗敷腔中沉積,形成透明的聚合物薄膜。

除了元件引脚表面和塗層生長錫須令人擔憂,鍍錫網狀走線生長錫須的風險也令人擔憂。Hillman等人指出,在溫度85C和相對濕度85%環境中的試樣,鍍錫的銅走線、編織線和帶狀電纜生長錫須的風險比較小[18]。


研究的範圍和目標本文研究是為了考察三種塗層的錫須生長情况設計的,測試不同厚度塗層對錫須生長的影響。此外,還測試使用純錫電鍍的高可靠性產品的編織線、絞合線和實心線進行測試,確定這些產品生長錫須的風險。


研究表面塗敷資料緩解錫須生長的作用試樣的基板資料有兩種類型(銅C110和42號合金),在兩種基板都電鍍了”亮錫”。銅C110和42號合金是元件引脚的通用資料。在電鍍後和塗敷表面資料之前,在一些鍍錫試樣刻出劃痕,類比產品在處理和運輸條件下可能出現的情况,其他的一些鍍錫試樣做成彎曲的(沒有劃痕),在鍍錫層產生張力和壓縮應力。然後,在所有試樣約一半表面上塗敷塗料,剩下的另一半表面不塗敷塗料。遮蔽試樣,塗敷,然後去掉遮蔽,保證塗層的厚度均勻,在塗層的邊緣沒有變薄。把試樣放在一個能够控制溫度、濕度的腔中,促使錫須生長。

在預定的時間間隔把試樣從溫度、濕度環境腔中取出,評估有塗層和沒有塗層表面上的錫須生長情况,比較沒有塗層表面和有塗層表面。收集各個試樣的數據,在高倍顯微鏡下檢查試樣拍顯微照片,或者用電子顯微鏡掃描。能量色散譜(EDS)分析也能從冶金學的角度確認錫須這種异常情况。所有收集的數據都保存起來,記錄製成圖表,用來說明錫須的生長和其他的變化。

測試的三個主要目的是:

1、考察鍍亮錫試樣上的錫須生長;

2、證明鍍亮錫試樣上的塗層能够防止、減輕或抑制錫須生長;

3、評估各種厚度塗層的錫須生長,從而評估哪種資料和什麼樣的塗層厚度對防止錫須生長提供最好的保護。


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