锡瘟也是锡的一种固有特性,在太空高低温急剧变化的环境下风险也很大。锡是一种坚硬的金属,它有3种同素异形体,即白锡(β-Sn)、灰锡(α-Sn)和脆锡。通常锡是一种银白色金属,在 13.2 ℃以上时更加坚硬和稳定;然而白锡在气温下降到13.2 ℃以下时体积骤然膨胀,原子之间空间加大,摩尔体积膨胀 26%,性质很脆,呈粉状,会发生由白锡到灰锡的相变。这个相变不是迅速、自发地产生,而是可能要经历数年后才开始,但一旦开始形成就会快速的蔓延。图1为经过一年多时间发生的锡瘟现象及其内部结构。
锡瘟会对焊点会造成可靠性问题。首先,锡金属上会出现一些粉状小点,然后会出现一些小孔,最后锡金属的边缘会分崩离析。如果温度急剧下降到零下 33℃时,就会产生“锡瘟”现象,晶体锡会变成粉末锡。这一改变是很难用肉眼注意到的,因此即使在极低的温度下,也不会立即发现这一改变。锡瘟会导致电路接触不良甚至开路;四散的粉末可能会引起周围电路的潜在风险。
图1 锡瘟
锡瘟现象曾被发现在SnCu,SnZn,和SnAg合金中[1]。如果Sn中有某些杂质存在,比如Al或Zn会增强这种相变发生趋势,更低的温度也会加速这种变化,在-30 ℃~-40 ℃之间相变速率会达到最大值。
在有铅技术中,锡瘟不是个关注的问题,因为溶解量达到5%的铅Pb可以阻止锡瘟的形成。业界还发现两种比Pb还能阻止锡瘟的金属,就是Bi和Sb。少量的(0.2-0.5%)的Bi或Sb能够预防锡瘟。Sb和Bi多余的电子可供锡的结晶重新排列,使锡的状态稳定从而抑制这个相变,或者会把相变开始的温度降至很低,使其无关紧要。值得注意的是:锡不但怕冷,而且怕热。将白锡加热到 161 ℃以上时,它会变成具有斜方晶系的斜方锡,即脆锡,敲打时也会变成粉末。
虽然行业中对锡瘟的现象和原理已经有较好的理解,并在某些行业中是禁止的,例如在电冰箱的蒸发器等部位泄漏时是不允许使用锡焊接的;但在SMT无铅技术中,锡瘟并不是一个重点研究的对象。主要是由于锡瘟不像锡须问题会引发短路,锡性质最稳定的温度范围是在13~161℃等,属于无铅焊接中需要考虑但非急于解决的问题,但在本项目的应力环境下就是一个需要评估的因素了。
[1] 一般无铅焊接的锡膏以SnAgCu为主。且以Sn-47Ag-1.7Cu和Sn-38Ag-0.7Cu系列合金使用的最多。
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