CN101363721B - 一种锡晶须生长的快速测试方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锡晶须生长的快速测试方法，包括以下步骤：设置待测样品的外界应力；对所述待测样品进行初检，确定所述待测样品中锡晶须的初始长度和初始密度；在设置的外界应力下，所述待测样品进行锡晶须生长；测量所述待测样品的锡晶须的长度和密度。本发明还公开了一种锡晶须生长的快速测试系统，包括外界应力控制装置和测量装置。本发明通过外界应力控制装置试验选定缩短锡晶须生长潜伏期的环境模拟加速试验，可以确定缩短锡晶须生长潜伏期的条件及时间；另外本发明实施例可以实现锡晶须长度和密度的测量。

Description

一种锡晶须生长的快速测试方法和系统

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别是涉及一种锡晶须生长的快速测试方法和系统。

背景技术

在电子元器件的生产和装配过程中，经常使用镀锡(锡合金)和焊锡工艺。各种基板的锡(锡合金)涂覆层在某些条件下会在表面生长出直径几个微米、长度在几十个微米到十多个毫米的须状晶体，形状多样，有直针状、弯曲、面条扭结，开叉等形态。锡晶须的生长本质上属于一种自发的，表面突起生长现象，不受电场、湿度和气压等条件的限制，并且生长速度有快有慢。电镀以及其他沉积方法所形成的镀层均存在晶须生长的风险，锡、锌和镉镀层特别容易生长出晶须，金、银、铅和其他金属也存在同样的问题。

大量的研究及统计数据分析表明，元器件镀锡(锡合金)引线锡晶须生长是航空航天及武器装备在使用过程中造成致命失效的主要潜在因素之一。

近年来随着公众环保意识的增强，国际上相继出台了涉及电子封装领域的环保立法与指导性的发展规划，全球电子产品市场对无铅化的要求已经成为一种不可逆转的趋势。电子领域的无铅化迫使半导体器件制造商必须考虑替代铅的电镀材料，忍痛割除早已接受并使用长达40多年的Sn/Pb(锡/铅)镀材料，过去数十年之所以使用Sn/Pb合金作为标准镀覆材料，就是因为Pb的加入能抑制锡晶须的形成。而在无铅化的今天，锡晶须的问题又变成了人们必须面对的课题。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：不同条件下锡(锡合金)锡晶须生长潜伏期长短相差极大。在有些情况下处理工艺结束后的几秒钟内锡晶须就开始生长，而在另一些情况下锡晶须生长的潜伏期长达数年。国内没有对如何采取恰当的试验预处理程序及环境加速模拟条件有效激活锡(锡合金)晶须的生长有相关的研究。

发明内容

本发明实施例要解决的问题是提供一种锡晶须生长的快速测试方法和系统，可以实现锡晶须生长的快速测试。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种锡晶须生长的快速测试方法，包括以下步骤：设置待测样品的外界应力；对所述待测样品进行初检，确定所述待测样品中锡晶须的初始长度和初始密度；在设置的外界应力下，所述待测样品进行锡晶须生长；测量所述待测样品的锡晶须的长度和密度。

其中，在所述对待测样品进行初检之前，还包括对所述待测样品进行预处理。

其中，在所述对待测样品进行预处理之前，还包括选择待测样品。

其中，在所述待测样品进行锡晶须生长的步骤中，还包括对所述待测样品进行抽检。

其中，在所述测量待测样品的锡晶须的长度和密度之前，还包括对所述待测样品进行筛选。

其中，在所述测量待测样品的锡晶须的长度和密度的步骤中，还包括选择所述待测样品的测量区域。

其中，在所述测量待测样品的锡晶须的长度和密度之后，还包括根据所述测量的待测样品的锡晶须的长度和密度，确定所述待测样品的产品等级。

本发明实施例的技术方案还提供了一种锡晶须生长的快速测试系统，包括：外界应力控制装置，用于控制待测样品的外界应力；测量装置，包括显微镜和/或扫描电镜，用于准确测量所述待测样品的锡晶须的长度及局部密度。

其中，所述系统还包括预处理装置，用于对所述待测样品进行预处理。

其中，所述外界应力控制装置包括：温度循环试验箱，用于控制所述待测样品的外界温度进行循环变化；恒温恒湿试验箱，用于控制所述待测样品的外界温度和湿度保持在预先设定的值。

上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点：本发明实施例通过外界应力控制装置试验选定缩短锡晶须生长潜伏期的环境模拟加速试验，可以确定缩短锡晶须生长潜伏期的条件及时间；另外本发明实施例可以实现锡晶须长度和密度的测量。

附图说明

图1是本发明实施例的一种锡晶须生长的快速测试方法的流程图；

图2是本发明实施例的一种锡晶须生长的快速测试方法的预处理过程的流程图；

图3a是本发明实施例的一种引脚镀锡器件的测量区域选择示意图；

图3b是本发明实施例的一种无引脚镀锡器件的测量区域选择示意图；

图3c是本发明实施例的一种镀锡样片的测量区域选择示意图；

图4是本发明实施例的一种测量待测样品的锡晶须的长度和密度的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的一种锡晶须生长的快速测试方法的流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤s101，设置待测样品的外界应力。选择合适的外界应力以加速元器件引线镀锡(锡合金)锡晶须的生长，本实施例中所采用的外部应力主要是温度和湿度，采用的试验条件主要是恒温恒湿条件下的贮存以及温度循环。本实施例中，所述设置的外界应力的参数如表1所示：

表1

步骤s102，选择待测样品。本实施例中，有针对性的选择目前空间用元器件使用较多的引脚镀锡工艺。试验样品的种类包括样片和元器件，以元器件现场抽样获取样本为主，包括片式元件、继电器、高密度双列直插扁平封装集成电路。样片为铜质基板上利用元器件锡表面工艺进行镀锡处理。本发明对于任何用锡做表面处理的样品都应研究，包括锡铅表面处理。样品种类包括：镀锡样片、器件、成品镀锡电子器件。

步骤s103，对所述待测样品进行预处理。本实施例中，依据所用样品表面镀层的基底金属不同，需要在进行工艺和制造程序验收试验前进行不同的预处理方法，通过适当的预处理方法来缩短锡晶须生长的潜伏期。本实施例中选用回流烤箱对所述待测样品进行预处理，其预处理过程如图2所示，可选预处理起伏剖面的参数如表2所示：

表2

 

剖面特性	Sn-Pb剖面	纯锡剖面
			平均上升速率(Tsmax到Tpeak)	最大3℃/s	最大3℃/s
预加热：最小温度(Tsmin)最大温度(Tsmax)	100℃150℃	150℃200℃

 

时间(Tsmin到Tsmax)(ts)	60-120秒	60-120秒
			预加热保持时间：温度(TL)时间(tL)	183℃60-120秒	217℃60-120秒
引脚或焊接温度(Tpeak)	200-220℃[2]	245-260℃[3]
			平均下降速率(Tpeak到Tsmax)	最大6℃/s	最大6℃/s
时间(25℃到最大温度)	最多6分钟	最多8分钟

本实施例中，预处理过程中各阶段的参数取值如表3所示：

表3

 

锡铅回流	183℃-(200℃～220℃)的升温时间最多6分钟，150℃-(200℃～220℃)的平均升温速率最大3℃/s，(200℃～220℃)-150℃的平均下降速率最大6℃/s，第1阶段：25℃-100℃，时间为0.5min～1min，第2阶段：100℃-150℃，时间为1min～2min，第3阶段：150℃-183℃，时间为0.5min～1min，第4阶段：183℃-(200℃～220℃)-183℃，时间为1min～2min，第5阶段：183℃-150℃，时间为0.5min～1min，

 

无铅回流	217℃-(245℃～260℃)的升温时间最多6分钟，200℃-(245℃～260℃)的平均升温速率最大3℃/s，(245℃～260℃)-200℃的平均下降速率最大6℃/s，第1阶段：25℃-150℃，时间为0.5min～1min，第2阶段：150℃-200℃，时间为1min～2min，第3阶段：200℃-217℃，时间为0.5min～1min，第4阶段：217℃-(245℃～260℃)-217℃，时间为1min～2min，第5阶段：217℃-200℃，时间为0.5min～1min，

步骤s104，对所述待测样品进行初检，确定所述待测样品中锡晶须的初始长度和初始密度。本实施例中，使用低放大倍数(50X-150X)的显微镜以提高观测面积，确定所观察的检测面中是否有锡晶须生长。若观察到锡晶须生长，需选择高放大倍数的显微镜进行详细检测。在详细检测时要记录下所在区域内的锡晶须最大长度。

步骤s105，在设置的外界应力下，所述待测样品进行锡晶须生长。

步骤s106，对所述待测样品进行抽检。为了反映锡(锡合金)锡晶须生长的时间特性，在整个试验进程中，需选择几个中间测试点，将样品从加速模拟试验条件中取出，进行显微观测，记录试验结果。

步骤s107，对所述待测样品进行筛选。本实施例中，选用放大倍数为50X-150X的显微镜对样品进行快速检查，确定所观察的检测面中是否有锡晶须生长。这样的目的是能更有效的检查整体样品，并为下一步的细检确定含有锡晶须的引脚、端子或样片区域。

步骤s108，选择所述待测样品的测量区域。本实施例中，测量锡晶须工具为光学立体显微镜和扫描电镜，在观测过程中，由于显微镜视场小，若对整个镀锡表面进行观察和测量将会耗费大量的时间，因此在试验过程中，我们将通过选择一些有代表性的测量区域来解决这一问题。在选择所述测量区域时，对于引脚镀锡器件需在引脚顶部、两个侧边和弯曲面进行检在查(如图3a所示)；对于无引脚镀锡器件则应在每个端子的顶部和3个侧边应进行检查(如图3b所示)；对于镀锡样片，则应对每个样品上的至少3个区域进行检查(如图3c所示)，所述测量区域为面积为1.7mm²的3块区域。

步骤s109，测量所述待测样品的锡晶须的长度和密度。由于长度超过50um的针状锡晶须很容易导致短路，引发严重的可靠性问题，因此需要了解其准确的测量方法。在完成检测后，应输出测量区域中的锡晶须个数并根据区域面积计算出锡晶须生长密度，并记录数据。其测量过程如图4所示，其中所使用的仪器的参数如表4所示。

表4

步骤s110，根据所述测量的待测样品的锡晶须的长度和密度，确定所述被测样品的产品等级。所述产品等级分为以下几种：

(1)等级3：对任务/寿命的特殊要求应用，如军事，航天和医学的应用。其要求为不使用纯锡和含锡量高的合金。

(2)等级2：商业应用，如电信设备，高端服务器，驱动系统等。其要求为希望进行晶须抑制，长寿命和最小停机时间，需要关注锡晶须的性破坏。

(3)等级1：工业/消费产品。其要求为中等寿命，不重点关心锡晶须的破坏。

(4)等级1A：消费产品。其要求为产品使用寿命短，基本不关心锡晶须的破坏。

所述产品等级表明了用来进行表面镀层工艺验收的试验程序(试验持续和时间和晶须长度标准)，其工艺验收时最大锡晶须允许长度如表5a所示，制造程序变化验收时允许最大晶须长度如表5b所示：

表5a

表5b

本发明实施例的一种锡晶须生长的快速测试系统，包括外界应力控制装置、显微镜、扫描电镜和预处理装置。

外界应力控制装置用于控制待测样品的外界应力，包括用于控制所述待测样品的外界温度的温度循环试验箱，用于控制待测样品的外界温度和湿度的恒温恒湿试验箱。温度循环试验箱的温度循环从-60℃到+95℃，温变速率为3～5℃/分钟。恒温恒湿试验箱要求在性能达到60℃，90％RH(Relative Humidity，相对湿度)和30℃，70％RH的环境下不冷凝。

显微镜用于测量待测样品的锡晶须的长度，本实施例采用光学立体显微镜，该光学立体显微镜应具有50x～400x放大倍数，并且对于锡晶须应具有最小10微米的轴向长度分辨率。如果采用光学系统显微镜测量锡晶须，其测试台应能在3个方向移动且能转动，来调整锡晶须位置与视线垂直以便于测量。

扫描电镜用于准确测量所述待测样品的锡晶须的长度及局部密度，扫描电镜应具有最小250x的放大倍数，采用合适的X射线能谱仪做初步的成分鉴定。

预处理装置用于对待测样品进行预处理，本实施例中采用回流烤箱对待测样品进行预处理，该回流烤箱应能达到预处理程序对温度剖面的要求。

本发明实施例通过外界应力控制装置试验选定缩短锡晶须生长潜伏期的环境模拟加速试验，可以确定缩短锡晶须生长潜伏期的条件及时间；另外本发明实施例可以实现锡晶须长度和密度的测量。

本发明实施例对国产航天用及民品用镀锡(锡合金)元器件进行锡晶须生长试验，缩短了锡晶须生长的潜伏期，制定了适合我国国情的锡晶须生长试验方法，为航天用及民品用评价元器件高可靠长寿命特性提供检测依据，为今后镀锡工艺的可靠性评价做出了铺垫，促进了我国航天事业及民品市场的发展。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种锡晶须生长的快速测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置待测样品的外界应力；

对所述样品进行选择并对所选样品进行预处理，所述预处理为热处理；

对所述待测样品进行初检，确定所述待测样品中锡晶须的初始长度和初始密度；

在设置的外界应力下，所述待测样品进行锡晶须生长；

测量所述待测样品的锡晶须的长度和密度。

2.如权利要求1所述锡晶须生长的快速测试方法，其特征在于，在所述待测样品进行锡晶须生长的步骤中，还包括对所述待测样品进行抽检。

3.如权利要求1所述锡晶须生长的快速测试方法，其特征在于，在所述测量待测样品的锡晶须的长度和密度之前，还包括对所述待测样品进行筛选。

4.如权利要求1所述锡晶须生长的快速测试方法，其特征在于，在所述测量待测样品的锡晶须的长度和密度的步骤中，还包括选择所述待测样品的测量区域。

5.一种锡晶须生长的快速测试系统，其特征在于，包括：

外界应力控制装置，用于控制待测样品的外界应力；

测量装置，包括显微镜和扫描电镜，用于准确测量所述待测样品的锡晶须的长度及局部密度；

预处理装置，用于对所述待测样品进行预处理，所述预处理装置为回流烤箱。

6.如权利要求5所述锡晶须生长的快速测试系统，其特征在于，所述外界应力控制装置包括：

温度循环试验箱，用于控制所述待测样品的外界温度进行循环变化；

恒温恒湿试验箱，用于控制所述待测样品的外界温度和湿度保持在预先设定的值。

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