晶鬚也稱為錫鬚,是出現在電子元件中的現象,是指金屬中長出類似毛髮或是鬚狀的金屬。錫鬚在二十世紀初真空管時期就有相關紀錄,當時在製造時用純錫或是幾近純錫的合金作為銲料,而在有銲料的焊點上長出毛髮或是鬚狀的金屬物質,造成焊點之間的短路。晶鬚會在有壓縮應力的情形下出現。也有有關甚至晶鬚的記載[1]。針對晶鬚問題的改善有許多相關技術,包括退火程序(加熱及冷卻)的調整,加入像銅或鎳之類的元素,或是用敷形塗料英語conformal coating包覆以避免短路[2]。以往會加入可以使晶鬚的成長放慢。

表面粘貼電阻銲料上長的晶鬚

由於危害性物質限制指令(RoHS)等歐盟指令關注鉛帶來的健康問題以及「高科技垃圾」問題(WEE),歐洲聯盟在21世紀初期已在大部份的消費電子產品中禁止使用鉛,而無鉛銲料較容易出現晶鬚,此一問題又再度受到重視。

產生機制

 
電子元件中的,在顯微鏡下的影像,其中可以看到晶鬚

晶鬚是金屬晶體冶金學上的現象,從金屬表面自發性長出微小的絲狀金屬結構。此一效應主要會出現在金屬元素,不過也會出現在合金上。

晶鬚背後的機制目前仍未充份瞭解,不過會因為機械的壓縮應力而引發,包括以下幾項:

  • 金屬絲在電場中因靜電極化而得到的能量[3][4]
  • 電鍍產生的殘餘應力
  • 利用力學方式引入的應力
  • 因為不同金屬擴散而引發的應力
  • 因為熱引入的應力
  • 材料的應變梯度[5]

晶鬚和金屬的樹枝狀結晶英語Dendrite (metal)不同:樹枝狀結晶外形類似蕨類,會沿着金屬表面生長,而晶鬚是髮狀的,會垂直於金屬表面成長。樹枝狀結晶的成長需要濕氣,讓金屬變成溶液中的金屬離子,在有電磁場時因為電遷移而重新分佈。目前還不確定晶鬚的準確機制,但已知晶鬚形成不需要金屬離子的溶劑化,也不需要有電磁場。

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參考資料

  1. ^ Lyudmyla Panashchenko. Whisker Resistant Metal Coatings (PDF). NEPP NASA. [23 October 2013]. (原始內容存檔 (PDF)於2017-08-29). 
  2. ^ Craig Hillman; Gregg Kittlesen & Randy Schueller. A New (Better) Approach to Tin Whisker Mitigation (PDF). DFR Solutions. [23 October 2013]. (原始內容存檔 (PDF)於2016-10-20). 
  3. ^ Karpov, V. G. Electrostatic Theory of Metal Whiskers. Physical Review Applied. 2014-05-15, 1 (4): 044001. Bibcode:2014PhRvP...1d4001K. S2CID 118446963. arXiv:1401.7689 . doi:10.1103/PhysRevApplied.1.044001. 
  4. ^ Borra, Vamsi; Itapu, Srikanth; Karpov, Victor G.; Georgiev, Daniel G. Modification of Tin (Sn) metal surfaces by surface plasmon polariton excitation. Scripta Materialia. 2022-02-01, 208: 114357. ISSN 1359-6462. S2CID 240093482. arXiv:2310.18495 . doi:10.1016/j.scriptamat.2021.114357 (英語). 
  5. ^ Sun, Yong; Hoffman, Elizabeth N.; Lam, Poh-Sang; Li, Xiaodong. Evaluation of local strain evolution from metallic whisker formation. Scripta Materialia. 2011, 65 (5): 388–391 [2024-03-19]. doi:10.1016/j.scriptamat.2011.05.007. (原始內容存檔於2021-03-08).