锡晶须生长加速实验探究

锡晶须生长加速实验，可以帮助预测无铅钎料层表面锡晶须生长的寿命，实验温度必须高于室温，可以提高到60°C（140°F）进行。但由于原子扩散速度慢，锡晶须生长速度仍然很慢。当温度接近100°C（212°F）时，扩散加快，但应力会随原子快速扩散也得到松驰。这样，我们遇到驱动力和动力学之间的竞争。尽管像共晶锡铜钎料那样增加铜的含量，会有助于提高锡晶须的生长，但生长速度也不会很快。此外，铜对锡晶须生长的影响还需要要进一步另行考虑。

图7-17 纯锡样品在电迁移时阳极锡晶须的生长

采用电迁移实验的方法，可以加速锡晶须的生长。其优点在于不仅可以改变施加的电流密度（驱动力），也可以在高温（动力学）下进行实验。因此可以同时对驱动力和动力学过程进行控制。图7-17是在电迁移实验中，纯锡样品在电迁移时的阳极锡晶须的生长。通过测量锡晶须生长速度和直径，可以得到单位时间内锡晶须的体积变化，即

V=JAdtΩ（7-31）

式中J——电迁移流量；

A——锡晶须横截面；

dt——单位时间；

Ω——原子体积。

由此根据式（7-7）可以计算驱动生长的应力。另外，已知J，可得到

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式中C=1/Ω（纯锡）；

D——扩散速度；

kT——热能；

σ——阳极处的应力，假定阴极处的应力为0；

dσ/dx——锡在很短的距离dx内的应力梯度；

Z∗——电迁移中扩散的锡原子的有效电荷数；

e——电子电荷；

j——电流密度；

ρ——锡在实验温度下的电阻率。

为了控制阳极锡晶须生长的直径，将整个阳极锡带覆盖一层薄石英膜，再刻蚀出特定直径的小孔，施加一定电流密度后，锡晶须就可以从阳极孔处挤压生长出来。由此可以测得锡晶须生长速度和体积与电流密度、温度和时间的关系。但是，首先要确定电迁移加速的锡晶须生长，与无铅钎料表面的锡晶须自生长，两者之间机理相同，加速实验才会有实际意义。