沉默短片：為何錫鬚在低功耗電子產品中繁衍

一款為長久安靜運作而設的產品放在架子上，從電池中吸取毫安。它是一個感測器、一個監視器、一個基礎設施，旨在安裝後被遺忘，在一個氣候控制的房間裡運作，溫度約為30°C。多年後，它沒有預警地失效。罪魁禍首不是故障的零件或軟體錯誤，而是一條微觀金屬絲，默默生長多年，形成短路，原本不應存在短路的位置。

這對工程師來說是令人沮喪的現實。傳統觀念認為，錫鬚——從錫鍍層表面長出的具有導電性晶體結構的東西——在高壓環境中是個問題。然而我們卻看到它們在最溫和的應用中造成潛在故障：在板子上永不停歇的低電流線路，從未受到明顯的熱或機械衝擊。這個安靜、室溫的環境並非安全區域，而是適合這種隱匿故障模式的理想孵化器。

理解敵人：錫鬚的不可預測性特質

錫鬚並非腐蝕或污染的產物，它們是物理現象的展現，直接從鍍層表面生長而來。

錫毛刺是什麼，它們如何形成？

錫髪是一種自發的、像毛髮般的單晶錫生長。這些細絲可以生長數毫米長，但直徑只有幾微米。儘管尺寸微小，它們依然足夠堅固，能在熔化前承載幾安培的電流；在現代電子產品中，元件間距以密爾為單位，這是一個重大威脅。它們在數月或數年內不可預測地生長，造成相鄰焊盤、走線或元件引腳間短路的潛在風險。

壓縮應力的作用作為生長引擎

錫鬚生長的主要驅動因素是錫鍍層內的壓縮應力。這種壓力可能來自鍍層本身的製程、由底層銅基底產生的應力，或外部機械力量。為了釋放內部壓力，錫鍍層尋找阻力最小的路徑。它不會均勻變形，而是在晶粒結構的薄弱點釋出物質。這種原子遷移由存儲的壓縮應力能量驅動，導致錫鬚緩慢而持續地生長。

30°C的陷阱：製造鬚的完美風暴

最危險的誤解是缺乏極端溫度或機械壓力就代表風險較低。對於低功耗的待機設備，事實恰恰相反。穩定的室溫（約30°C或86°F）環境，形成一個獨特的“危險點”，促使錫鬚生長的情況。

為何室溫不是“安全區”？

鬍鬚形成是壓縮應力與原子移動所需的原子流動性之間的戰鬥。在極低溫下，即使存在應力，原子流動性也過低而無法使鬍鬚生長。在極高溫（超過 100°C）時，錫層可以有效地退火本身，通過再結晶緩解應力，然後才會形成鬍鬚。

30°C到50°C的範圍是危險區。在這個溫度範圍內，錫原子具有足夠的活動能量進行遷移並形成鬚，但溫度不足以釋放鍍層內的潛在壓縮應力。這種環境活動性足夠促進生長，但太過被動，無法触發自然壓縮應力的釋放。

低電流“長亮”狀態如何創造理想條件

低功耗、全天候運行的電路促成了這場完美風暴。與產生大量熱量並形成自己熱循環的高功耗電路不同，這些“沉睡”網絡提供持續的低水平熱能，保持主板處於理想的鬚膠成長溫度範圍內。不存在顯著的溫度波動來幫助重新分配應力，只有一個穩定的狀態，讓緩慢、系統的鬚膠形成過程得以不間斷地進行多年。

決定性因素：選擇抗鬚鍍層系統

雖然設計因素可以幫助，但表面飾面選擇是工程師可以做出的最重要決策，以減輕錫鬚的風險。在需要長期使用的產品中，不應在這裡做出任何妥協。

純錫表面處理的失敗

遵循RoHS規範，純錫處理成為了取代鉛焊料的常見且低成本的選擇。然而，對於高可靠性應用來說，這是一個錯誤。純錫，尤其是亮錫，因其細微的晶粒結構以及鍍層工藝產生的高內部應力，極易形成鬚膚。任何規定長壽命產品使用純錫表面處理的設計，從一開始就埋下了一個潛在的失效模式。

我們建議的解決方案：啞光錫、鎳底層和退火

多部分系統是唯一可靠的防禦方法。我們強烈建議採用由啞光錫鍍覆於鎳屏障之上，並進行鍍層後退火的表面處理。

每個組件都扮演著關鍵角色。啞光錫的晶粒結構較亮錫大，且與亮錫相比具有較低的內部應力，降低了促使鬚膚生長的主要動力。鎳底層作為重要的屏障，阻止銅錫金屬間化合物（IMCs）的形成，這是主要的壓縮應力源。最後，鍍層後的退火，通常是在150°C烘烤一小時，可以釋放出鍍層工藝中剩餘的內部應力。

評估次要防禦措施與常見誤解

儘管鍍層是主要防禦措施，但其他策略也經常被討論。理解它們的局限性並不要將它們視為完整的解決方案是非常重要的。

抗錫膚滲透的覆蓋塗層局限性

一個普遍的觀念是，覆蓋塗層可以簡單地包住任何形成的鬚膚。但這是一個危險的假設。不斷生長的鬚膚在尖端產生巨大的壓力，隨著時間會刺穿許多柔軟的塗層。即使未能刺穿塗層，鬚膚仍可能在其下面生長，將其推上表面，或穿過多孔的區域。雖然像環氧樹脂這樣厚且硬的塗層可能提供一定的阻抗，但它永遠不應該是主要的緩解策略。充其量只是一個次要的防禦措施。

守衛線和策略性間距的輔助作用

良好的設計實踐可以減少鬚膚的後果，即使不能阻止其形成。最大化導體之間的距離，尤其是對於細引腳元件，使鬚膚更難架橋跨越空隙。對於關鍵網絡，加入接地守衛線可以提供一條安全的接地路徑，有可能防止兩個有源信號之間的短路。這些都是有用的降低風險的技術，但它們並未解決根本原因。

一個為長期可靠性設計的實用手冊

預防錫鬚造成的無聲現場故障不是運氣的問題，而是有意的工程措施。範本很簡單：解決根本原因，而非症狀。在零件安裝之前的製造階段做出最關鍵的決策。

任何需要多年安靜可靠運作的產品，表面處理都至關重要。採用啞光錫配合鎳底層和適當退火循環的系統是目前最有效的策略。僅依賴純錫是一個不可接受的風險。相信覆蓋塗層能拯救一個劣質的鍍層選擇，只會導致失敗。守衛線和間距有幫助，但正確的鍍層選擇才是確保長久安靜運行的關鍵。