一、锡与铜的相互扩散

锡与铜之间相互扩散，会形成金属互化物。在这个过程中，锡层内压应力迅速增长。例如在电路板的线路连接部位，如果使用锡和铜的组合，随着时间推移和环境因素影响，这种扩散作用就容易发生。由于应力的变化，锡原子沿着晶体边界进行扩散，从而形成锡须。这一现象在许多电路板的实际应用场景中都可能出现，特别是在一些长期使用、高温环境或者电路板过载的情况下，锡与铜的相互扩散速度会加快，进而促使锡须的生长 。

二、电镀后镀层的残余应力

电镀工艺在电子元器件制造过程中较为常见。当进行电镀操作后，镀层往往存在残余应力。这种残余应力犹如一种潜在的驱动力，推动着锡原子的迁移。具体而言，镀层中的原子在残余应力的作用下，其原有的稳定结构被打破，锡原子开始移动并逐步聚集、生长，最终形成锡须。从微观角度看，镀层原子的排列受到这种残余应力干扰，使得锡原子更容易突破原有的位置限制而开始生长。在一些大规模生产电路板的工厂流水线上，如果电镀工艺的控制参数存在偏差，或者电镀后没有进行有效的应力释放处理，那么这种电镀后镀层的残余应力就很容易导致锡须的生长 。

三、应力的影响

1. 机械应力

• 在电路板组装过程中，机械应力的产生较为常见。例如，与软性印刷电路板连接时，大多以连接器夹持FPC引脚的方式进行连接。在此过程中，软性印刷电路板FPC上的金属引脚会受到来自连接器内金属的夹持压力，这种外部施加的压缩性机械应力，容易加速锡须的生长。就像在生产手机主板时，主板与其他部件的连接如果设计不合理或者组装过程中受到外力挤压等情况，就会产生类似的机械应力问题。在软性印刷电路板受压力的边缘处，经常容易发现锡须的出现，这是因为这里的机械应力最为集中和明显，直接影响了锡原子的状态，促使其形成锡须 。

2. 热应力

• 当产品遭受高、低温度变化时，结合的两种材料会因膨胀系数的不同而产生压缩或拉张力。以锡（Sn）和铜（Cu）为例，Sn的膨胀系数比Cu高。在制程中，常常会有回流焊这个工艺过程，在从回流焊的高温到室温的过程中，Sn镀层实际上承受着Cu底材牵制产生的拉张力。尽管如此，仍然可能出现锡须现象。其原因在于化学应力促使锡须自发性成长的应力远大于热应力，并且镀层中任何不均匀性会造成局部性压缩应力，这些因素综合起来导致了锡须的产生 。

3. 化学应力

• 以常见的Cu底材金属脚为例，Sn和Cu产生介面金属合金IMC的反应是化学应力的主要来源。通常在室温下，Cu原子便会自然地扩散进入Sn，从而产生Cu6Sn5介面金属合金IMC。这种物质介于Sn和Cu之间，会形成一股推力。因为这种反应在室温下就可以持续进行，不断地提供化学应力，迫使Sn层受到推挤的应力，进而为锡须的生长创造了条件。在一些对电子元器件要求较高、化学环境复杂的电子设备中，例如化工行业中的某些检测仪器电路板，化学应力导致的锡须生长可能会影响设备的准确性和稳定性 。

四、微观结构与成分相关

1. 镀层晶粒大小与取向

• 镀层的晶粒大小和取向对锡须生长有影响。如果镀层的晶粒较为细小，那么锡原子之间的束缚相对较弱，原子更容易移动。而晶粒取向在一定程度上决定了原子扩散的路径。例如，在一些晶界处，原子的排列较为混乱，能量相对较高，成为锡原子扩散的优先途径。如果晶粒取向不利于原子的稳定存在，就会促使锡原子沿着晶界等地方扩散，最终导致锡须的生长。在电子电镀工艺中，如果不能精确控制镀层晶粒的大小与取向，就可能引发锡须生长的隐患。

2. 合金元素与合金结构

• 不同的合金元素组成的合金结构对锡须生长的敏感性不同。例如在锡铅（Sn - Pb）合金中，曾发现铅的存在可以在一定程度上减小锡须的生长倾向，但由于铅是一种有毒的重金属，并且电子产品中焊料用铅在技术上难以回收，随着环保要求提高，无铅化成为趋势，纯Sn、Sn - Bi、Sn - Cu、Sn - Ag等合金被广泛研究，然而它们均被发现有潜在的锡须自发生长问题。这是因为不同的合金元素改变了锡原子的化学键环境、原子排列等微观结构，从而影响了应力分布和原子扩散行为，进而影响锡须的萌发与生长 。

五、环境因素

1. 温度

• 温度对锡须生长影响显著。适度的温度能够为锡原子提供足够的能量进行表面扩散。一般认为50 - 60°C是最适宜锡须生长的温度，这是因为在此温度区间，锡原子获得的能量既能满足其扩散需求，又不会过于活跃造成其他影响。当温度超过100°C后，应力（锡须生长的驱动力）会被松弛，反而不利于锡须生长，据报导，锡须在115°C时生长变慢，到150°C以上就停止生长。例如在一些高温环境的电子设备中，如高温炉附近使用的电路板，锡须生长情况可能与常温环境会有很大不同。如果不小心遭遇高温，原本可能出现的锡须生长现象也许会减缓或者停止，但如果在最适宜温度范围内长时间放置，锡须生长就会加剧 。

2. 湿度

• 湿度是影响锡须生长的另一个关键因素。相对湿度越高，锡须生长越快，尤其当相对湿度达到85%以上时。这是因为在适宜的湿度条件下，锡表面能够形成一层氧化膜，该氧化膜能够促进锡须的生长。然而，过高的湿度可能导致氧化膜过厚，从而阻碍锡须的正常生长。例如在潮湿的南方地区，电路板在没有良好防护的情况下，如果湿度持续处于高位，电路板上电子元器件的锡须生长情况可能就比较严重。在一些对湿度敏感的电子元器件制造工艺和使用场景中，必须要对湿度进行严格管控，以避免锡须生长影响产品质量和性能 。

3. 离子污染

• 环境中的离子污染也会影响锡须生长。如果电路板暴露在含有较多离子污染物（如氯离子、硫酸根离子等）的环境中，这些离子可能会与锡层发生化学反应。例如，氯离子可能会腐蚀锡层，破坏其原有的结构稳定性。这种腐蚀作用会改变锡层的应力状态和原子键合情况，促使锡原子更容易扩散并生长成为锡须。在一些化工生产车间或者沿海地区的电子设备中，如果没有做好防护，含有盐分和化学污染物的空气容易侵入设备内部，引发电路板元件的锡须生长问题。

4. 电迁移现象

• 在有电流通过的情况下，可能会出现电迁移现象。电迁移是指在电流应力作用下，原子或离子随电子迁移而导致的成分偏析以致出现丘凸和空洞等材料结构缺陷的现象。对于锡镀层，电迁移会加速锡原子的扩散。例如，在高密度电流通过电路板的电子元件时，电迁移会导致在阴极首先出现圆形空洞，随后在两极均形成圆形空洞，并且在阴极处还发现有微裂纹存在。随着电迁移时间的增加，锡须长度不断增加，在0.3×104A/cm2恒定电流密度下，随着电迁移时间分别为0，48，144和240h的增加，阳极锡须的最大长度明显比阴极的要长。这是因为电迁移导致原子扩散而产生的压应力，成为了锡须生长的驱动力之一 。