“晶须”产生的原因有多种,带有“晶须”的产品进入市场后可能会引发电机设备、电子元件短路等故障,必须采取有效的对策。下面将对晶须的产生原因、生长机理与环境,以及各类评估试验进行说明。剖析传统光学显微镜及扫描电子显微镜(SEM)在晶须观察方面面临的难题,介绍使用新型4K数码显微镜系统解决这些难题的方案。

产生晶须的原因与试验,观察评估的课题解决

晶须问题与产生原因

“晶须(whisker)”是一种金属表面自然生长出金属单晶体的现象,在锡(Sn)镀层、锌(Zn)镀层等表面尤为常见。正如晶须中的须字之意,这种金属结晶就像猫和老鼠的胡须一样,呈针状或瘤状生长。

晶须问题与历程

如果电子电路或连接部长出了晶须,可能会导致短路,引发电机产品、电子电路、电子元件等的故障。
1946年,收音机可变电容器开始采用镉电镀后,进入市场的产品接连发生短路故障,镉晶须自此便开始受到关注。
1950年代,微量铅合金技术作为一种抑制晶须的措施,逐渐开始推广普及。但是进入2000年代后,无铅化焊接的浪潮席卷全球,让锡电镀成为了时代的新宠。随后,小到手表,大到核反应堆,甚至连NASA人工卫星、航天飞机等航空航天领域,都开始接二连三地出现晶须引起的故障,这项问题再次成为了全球关注的焦点,重要性激增。

晶须的产生原因

之所以会产生晶须,主要是受到了下列因素的影响。

  • 金属间化合物扩散的影响
  • 电偶腐蚀*的影响
  • 外部应力的影响
  • 热膨胀系数差造成的应力的影响

除此以外,可能还会受到其他各类因素的影响,但是晶须产生的根本机理还是一个谜。

电偶腐蚀… 对异种金属进行电气连接时,在两者间电位差作用下发生的腐蚀现象,又被称为“异种金属接触腐蚀”。

晶须产生的环境

锡、锌成分的晶须在接近于室温的条件下也会呈现快速扩散的态势,但在几种环境条件的影响下,元素扩散会得到促进。产生晶须的代表性环境条件如下所示。

  • 室温下产生
  • 温度循环中产生
  • 氧化、腐蚀性产生
  • 外压下产生
  • 电迁移现象*中产生

在电迁移现象中产生的晶须,会出现在电流密度较高的半导体及倒装芯片等特殊封装中。

电迁移现象…电流从集成电路内部的金属配线中流过时,金属原子发生移动的现象。以铝制配线为例,铝原子朝着电子流动的方向移动后,阳极侧就会有晶须或小丘生长出来。

晶须试验及观察、评估

晶须的产生及生长会引发电机及电子产品的故障,通常会实施各类试验及观察评估,以便采取预防措施。下面将以晶须评估试验的种类及环境为例,对相关观察评估的现状与倾向进行说明。

晶须评估试验示例

现行晶须评估试验的种类与环境如下所示。

室温静置试验
对金属间化合物/扩散影响导致的晶须生长进行观察
环境:30±2°C/60±3%RH、时间:4000 Hr
恒温恒湿试验
对电偶腐蚀导致的晶须生长进行观察
环境:55±3°C/85±3%RH、时间:2000 Hr
温度循环试验
对热膨胀系数差导致的晶须生长进行观察
环境:低温 -55±5°C或-40±5°C/高温 85±2°C或125±2°C、循环:2000个循环
外部应力试验
对外部应力影响导致的晶须生长进行观察
种类:连接器嵌合试验(使用实际产品)、荷重试验(荷重300 gf的0.1Φ氧化锆球,维持500 h)

预防晶须的关键,放大观察及评估

通过各类试验对产生、生长的晶须实施放大观察,并据此开展状态分析与评估,能够帮助我们提前掌握产品的故障风险,及时采取对策。放大观察及评估能够在电机产品、电子元件等产品正式上市前,提供研究开发、电路设计、材料选用、生产制造等方面的重要信息。
晶须的放大观察,会使用普通的光学显微镜或扫描电子显微镜(SEM),其中,扫描电子显微镜能够用短波长电子束替代光线,进行纳米级的观察。但是近年来,随着光学系统与图像处理技术的飞速发展,能够以简单操作观察清晰图像的数码显微系统相继登场,使得用清晰图像高效观察评估晶须成为了可能。

晶须观察评估难题的解决案例

过去,晶须观察中常用的扫描电子显微镜(SEM)及显微镜面临着各式各样的难题。

基恩士的超高精细数码显微系统“VHX系列”配备了以先进技术为驱动力的高分辨率HR镜头、4K CMOS、影像系统、照明等功能,可通过简单操作,快速实现基于清晰4K图像的放大观察。下面介绍解决传统晶须观察评估中各类难题的应用案例。

用4K数码显微系统“VHX系列”观察连接器的晶须
用4K数码显微系统“VHX系列”观察连接器的晶须

解决用扫描电子显微镜(SEM)观察晶须是面临的难题

传统难题:使用扫描电子显微镜(SEM)时

观察晶须时,要花费许多时间和精力进行观察前的准备工作,例如在样本室内调节样本的位置,通过“抽真空”使样本室处于真空或低真空状态等等。
此外,由于只能从样本的正上方进行观察,如需观察具有立体结构的晶须,每换一次角度就要重新进行一轮准备工作。

引进4K数码显微系统“VHX系列”后

利用新开发的光学系统与4K CMOS,无需再借助真空室,可以直接在大气环境下实现涵盖全视野、最高6000倍的放大观察。不仅能彻底解决准备工时这一SEM面临的问题,还能用清晰的4K高分辨率图像进行观察。

而且能够利用“全方位观测系统”与“高精度X、Y、Z电动载物台”功能,实现与视野、旋转轴、倾斜轴相匹配的倾斜观察,轻松实现任意角度的观察。

利用“导航实时合成”功能,甚至能在确保高倍率、高分辨率的同时,对样本整体进行全幅对焦。只需在整体图像中点击选择需要观察的位置,就能自动完成载物台移动、对焦及深度合成,不仅能省去调节样本位置的麻烦,还能进行高效观察。

可实现倾斜观察的“全方位观测系统”
可实现倾斜观察的“全方位观测系统”

解决用显微镜观察晶须是面临的难题

传统难题:使用传统光学显微镜时

在观察具有立体结构的晶须,抑或是产生晶须的样本为立体物时,显微镜只能进行局部对焦。
由于无法进行倾斜观察,必须花费大量时间去调节观察位置,观察难度很高,要求操作者具备一定的熟练度。

引进4K数码显微系统“VHX系列”后

借助用高分辨率HR镜头和电动镜头转换器共同实现的“无缝缩放”,无需更换镜头,就能以20至6000倍的倍率拍摄清晰的4K图像,进行放大观察。

A. 高分辨率HR镜头 B. 电动镜头转换器
  1. A. 高分辨率HR镜头
  2. B. 电动镜头转换器

对于晶须造成的表面凹凸,也能利用包含深度合成的“导航实时合成”功能,在维持倍率及分辨率的状态下,对目标物整体进行对焦。只需在全幅对焦的图像中点击选择需要观察的位置,就能自动完成载物台移动和焦点合成,实现了作业效率的飞跃性提升。

利用“全方位观测系统”和“高精度X、Y、Z电动载物台”,还能实现传统显微镜无法做到的倾斜观察。能够以任意角度,高效观察所有观察部位的瘤状晶须。

观察立体生长晶须的新基准

高精细4K数码显微系统“VHX系列”还配备了可进行晶须3D形状测量及轮廓测量的“三维尺寸测量”功能、过往拍摄条件自动再现功能、报告创建功能等众多功能。
作为一款能够对立体生长晶须进行定量化、高效化观察、分析及测量的产品,“VHX系列”将成为替代传统显微镜和SEM的新工具,在电机产品、电子元件及各类相关领域的生产现场发挥重要的作用。

如需了解“VHX系列”的详情,欢迎点击下列按钮,下载查阅产品目录或随时咨询。