Factors Governing Tin Whisker Growth

سبیل های قلع (Sn) فوران های تک کریستالی رسانای الکتریکی هستند که از سطوح فیلم Sn رشد می کنند. نسبت تصویر بالای آن‌ها به دلیل ایجاد پل‌ها و قوس‌های فلزی، مشکلات قابلیت اطمینان را برای صنعت الکترونیک ایجاد می‌کند که منجر به نقص و خرابی فاجعه‌بار در بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی (از جمله بخش‌های ماهواره‌ای و دفاعی) می‌شود. با توجه به قوانین اتحادیه اروپا، ژاپن و ایالات متحده، که تغییر تدریجی از لحیم کاری های مبتنی بر سرب (Pb) را به لحیم کاری های بدون سرب و روکش های تخته الزامی می کند، ظهور مجدد سبیل های Sn وجود داشته است. گزارش‌های مداوم از خرابی‌های ناشی از سبیل Sn همراه با عدم درک مورد قبول صنعت از رشد سبیل و/یا روش‌های آزمایش برای شناسایی محصولات مستعد سبیل، جایگزین‌های Sn خالص/بالا را به یک پیشنهاد مخاطره آمیز در سیستم‌های با قابلیت اطمینان بالا تبدیل کرده است.

این پایان نامه به منظور شفاف سازی و کنترل مکانیسم های اساسی حاکم بر تشکیل سبیل طراحی شده است. این تحقیق بر روی سبیل های ایجاد شده در آزمایشگاه قابل تکرار تحت عوامل محیطی مختلفی مانند ضخامت لایه، تنش لایه، مواد بستر، محیط گاز و قرار گرفتن در معرض رطوبت متمرکز است که نقش مهمی در تولید سبیل دارند. سوال نهایی در مورد چگونگی ممانعت و/یا جلوگیری از رشد سبیل نیز مطرح شده است و نشان می‌دهد که پیشگیری از سبیل از طریق فیلم‌های درپوش فلزی سخت، که توسط سبیل‌ها غیرقابل نفوذ هستند، امکان‌پذیر است.

Tin (Sn) whiskers are electrically conductive, single crystal eruptions that grow from Sn film surfaces. Their high aspect ratio presents reliability problems for the electronics industry due to bridging and metal arcing, leading to malfunctions and catastrophic failures in many electronic systems (including satellite and defense sectors). Due to legislation in the EU, Japan, and the U.S., mandating a gradual shift from lead (Pb)-based to lead-free solders and board finishes, there has been a reemergence of Sn whiskers. Continuing reports of Sn whisker induced failures coupled with the lack of an industry-accepted understanding of whisker growth and/or test methods to identify whisker prone products has made pure/high Sn substitutes a risky proposition in high reliability systems.

This thesis is designed to clarify and control the fundamental mechanisms that govern whisker formation. The research focuses on reproducible "laboratory" created whiskers under a variety of rigorously controlled environmental factors such as film thickness, film stress, substrate material, gas environment, and humidity exposure, which are known to play a significant role in whisker production. The ultimate question of how to impede and/or prevent whisker growth is also addressed and shows that whisker prevention is possible via hard metal capping films, which are impenetrable by whiskers.