Mechanizm powstawania wąsów cynowych i metody zapobiegania

Modyfikacja powierzchni miedzi

Autorzy opracowania ‘The Elimination of Whiskers from Electroplated Tin’ zbadali wpływ chropowatości powierzchni IMC oraz modyfikacji struktury krystalicznej depozytu cyny z wielkoziarnistych kolumn do równoosiowej struktury drobnoziarnistej na częstotliwość występowania wąsów cynowych. Pierwszy z czynników badali poprzez zwiększenie powierzchni miedzianego podłoża za pomocą chemicznych środków, powodujących wzrost jej chropowatości. Natomiast wewnętrzna struktura warstwy może być zmieniana przez zastosowanie specjalnych dodatków chemicznych do kąpieli galwanicznej.

Przeprowadzono badanie morfologii podłoża miedzianego przed powlekaniem. Oceniano szereg podłoży o różnej chropowatości pod kątem tworzenia się wiskersów po galwanicznym wytworzeniu warstwy cyny, a chropowatość kontrolowano za pomocą procedur trawienia chemicznego. Średnia chropowatość ‘Ra’ wahała się od 0,13 do 0,47 mikrona. Jak pokazano na Rysunku 2 poniżej, 0,47um Ra ma znacznie większą powierzchnię w porównaniu do 0,13um Ra.

Rysunek 2: Miedziane podłoże o zróżnicowanej chropowatości.

Żródło: The Elimination of Whiskers from Electroplated Tin, © Uyemura

Dane wyraźnie wskazują, że istnieje wyraźna korelacja między chropowatością powierzchni a skłonnością do powstawania wąsów cynowych. Bardziej szorstka powierzchnia skutkuje mniejszą długością wąsów, a także ich mniejszą gęstością na mm². Bardziej chropowaty Ra wynoszący 0,47um dawał cieńszy, bardziej jednorodny IMC, w porównaniu z gładszym Ra wynoszącym 0,13um, który wykazywał miejscowo zwiększoną grubość IMC. Prawdopodobnym wyjaśnieniem mniejszej skłonności do wytwarzania wąsów przez powierzchnie bardziej szorstkie jest to, że IMC ma znacznie większą powierzchnię (Ra 0,47um) w porównaniu z mniejszą, gładką powierzchnią (Ra 0,13um). Wynika z tego, że naprężenia wynikające z tworzenia się IMC są znacznie mniejsze i dodatkowo rozproszone wraz ze wzrostem chropowatości powierzchni znajdującego się pod spodem podłoża miedzianego.

Modyfikowanie struktury krystalicznej złoża cyny

Dokładne badanie struktury krystalicznej cyny i stopu cyny z ołowiem pokazuje wyraźną różnicę struktury metalicznej pomiędzy tymi dwoma depozytami. Depozyt cynowo-ołowiowy, w przypadku którego nie zaobserwowano tworzenia się wiskersów, ma równoosiową, stosunkowo drobnoziarnistą powłokę. Z drugiej strony czysta cyna tworzy większe kryształy kolumnowe. Rysunek 3 pokazuje różnicę w strukturze krystalicznej pomiędzy czystą cyną i stopem cyny z ołowiem (10% wagi Pb). Uważa się, że jeśli strukturę krystaliczną depozytu cyny można by zmodyfikować do postaci podobnej do struktury krystalicznej stopu cynowo-ołowiowego, naprężenia zostaną rozproszone a wąsy przestaną się tworzyć.

Rysunek 3: Wewnętrzna struktura krystaliczna warstwy cyny i stopu cynowo-ołowiowego.

Żródło: The Elimination of Whiskers from Electroplated Tin, © Uyemura

Przez zastosowanie do kąpieli specjalnych dodatków galwanicznych (autorzy opracowania nie zdradzają, jakie konkretnie są to dodatki) wytworzono trzy rodzaje depozytów cyny: typ ‘A’ to standardowa warstwa cyny,  charakteryzująca się dużymi kolumnowymi kryształami, a typ ‘B’ został modyfikowany w celu uzyskania mniejszej, kolumnowej struktury ziarna. Natomiast typ ‘C’ został dodatkowo zmodyfikowany, aby uzyskać jeszcze mniejsze ziarno, które jest zarówno kolumnowe, jak i równoosiowe, niejako naśladując strukturę stopu cyny i ołowiu.

W ostatnim przypadku uzyskano równomiernie rozłożoną, stosunkowo cienką warstwę IMC, wytwarzającą minimalne naprężenia. Równoosiowa struktura krystaliczna rozprasza naprężenia, co skutkuje brakiem skłonności do tworzenia się wąsów. W przypadku drobnoziarnistych, równoosiowych  depozytów cyny, autorzy badania nie zaobserwowali wąsów przez 22.000 godzin.

Zródło: The Elimination of Whiskers from Electroplated Tin, © Uyemura

Autorzy: Masanobu Tsujimoto, Shigeo Hashimoto, Masayuki Kiso, Raihei Ikumoto,Toshikazu Kano, Genki Kanamori