主题：短路警报（锡须） -- njyd

　　这是从《新发现》2010年第十二期上扫描下来的。

　　早些时候就想扫描，但万恶的360把俺的扫描仪驱动给毁了，重装驱动也不行，就拖了下来。昨天用360杀木马，杀过后桌面上的图标一个也用不了了，害得我重装了整个系统。

　　2007年4月9日星期一,晚上8时37分,法国卢瓦雷省当皮埃尔核电站3号反应堆的负责人员注意到,性命攸关的救生系统出了供电问题，一台继电器发生了故障。随后的一系列连锁反应最终导致反应堆堆芯紧急制动！该如何解释这一严重事情呢？专家们仔细调查后得出结论：拖累整个反应堆的，竟是由焊锡在两个电子元件之间形成微丝导致的短路！

　　这个惊心动魄的小插曲至今仍鲜为人知。然而，这已经不是锡丝第一次闯祸了。近20年，全世界至少有另外四座核电站、八颗通信卫星、若干导弹程序、一些电话终端甚至是医疗器械都曾出现过同样的故障，有时还酿成惨剧！丰田汽车充满信息技术含量的加速器踏板最近发生的问题，有人认为可能也是锡丝作祟……也许我们该按照其英语名“whisker”称其为“锡须”，不管怎样，它简直就是电路中的瘟疫！

　　这种瘟疫并非新近才出现。正如美国国家航空航天局（NASA）有关问题专家海宁·雷德克（Henning　Leidecker）所言，关于锡须的最早记录可追溯至第二次世界大战，当时在战斗机的无线电收发设备中就发现了这一现象。”然而，尽管令人诧异，但60多年过去，人们至今都无法透析这一“瘟疫”的“病理”却是不争的事实。今天，实业家和科学家们比任何时候都更加担心，因为“瘟疫”蔓延的条件已全部具备……

　　我们知道，锡被广泛用于印刷电路的表面处理及电路元件的焊接中。之所以得到如此器重，是因为锡这种金属储量大、易塑形、耐腐蚀，当然，导电也不在话下。唯一让人恼火的缺点，就是锡随着时间的推移，容易形成一些最长可达1厘米的细丝。虽然大部分细丝长度不会超过半毫米，但要在微电子的小人国中胡乱搭建一个搅局的连接，这已经足够了。结果便是短路。这种短路大多数时候不会引起什么不良后果，因为如此纤细的金属丝连50毫安的电流都无法承受，但是有的时候却是致命的。更糟糕的是，根据欧洲空间局研究人员巴瑞·邓恩(Barrie Dunn)的说法，“在宇宙的真空环境中，这些细丝会汽化并且产生好几百安培的电弧，卫星对此非常忌惮。”

禁铅令令人担忧

　　迄今，我们之所以能够避免电子设备全军覆没，完全要归功于美国电话电报公司(AT&T)的研究。“1948年因锡须导致故障后，该公司的实验室便开始将锡和元素周期表中的每一个元素分别混合。”海宁·雷德克回顾道，“经过10年的测试，终于发现铅能够在很大程度上遏制这一现象的发生。”从此，这个经验主义的方法便被整个工业界所采用，含铅量从1％到40％不等。即使混合未必很精确，不足以避免一切意外，但是“疫情”似乎得到了控制。

　　可是情况有变。2006年7月1日，欧洲的一项禁令禁止在电子设备中运用铅，而且世界上其他国家也都正在加入这项运动。禁铅的动机在于这种重金属对电子垃圾处理厂周边公共卫生所造成的威胁(神经疾病、胎儿畸形等)。然而，虽然把铅从汽油和油漆中剔除是好事一桩，但是铅从电路中的隐退却会造成“锡之恶”的蔓延。停止疫苗的接种，瘟疫就会再次爆发。更何况这些电路继续向着微型化方向发展，这就给那些致命的锡须制造了更多“牵线搭桥”的机会。因此，寻找新“疫苗”就成了头等大事。

　　自禁铅令宣布以来，实业界愈加迫切地想了解这些麻烦的锡须是如何产生的。经过近十年的努力，谜底渐渐浮出水面。主要的怀疑聚焦在印刷电路中被锡层覆盖的铜身上。巴瑞·邓恩认为：“铜在某些地方向锡层扩散，随后与锡反应，生成一种体积很大的金属化合物锡化铜(Cu6Sn5)，对单薄的锡层造成压迫。”于是便产生了臭名昭著的锡须。“我们借助超细x射线刚刚证明了这一点。”德国斯图加特马普研究会冶金学家马蒂亚斯·索别什（Matthias Sobiech)兴奋地说道。

捕捉锡须增长瞬间

一支德美联合研究团队在波长300纳米的x射线的帮助下，观察到了导致锡须生长的机械变化。发表于2009年6月Applied Physics Letters期刊上的这项研究指出，锡须生长的元凶是位于锡层下面的铜。不过．人们仍旧无法预测锡须生长的速度……

　　然而，即使获得了这一重大突破，人们仍旧难以看清这个现象的全貌。因为铜作为最佳导体，其在电路中的地位是无可替代的，而且其他因素似乎也会助长这些锡须。“比如腐蚀，温度的变化或者震颤。”马蒂亚斯·索别什指出。说得明白一点，所有的这些因素，甚至包括宇宙真空，似乎都有利于锡须的形成!而法国电力公司(EDF)研究所的电子专家洛朗·克雷蒂侬(Laurent cretInon)的话更令人无所适从：“快的话，只要3星期锡须就会出现，慢的话可等20年。”就像达摩克利斯之剑，随时随地都可能落下。法国国家空间研究中心(CNES)质量监控工程师蒂埃里·巴度(Thierry Battault)认为：“所有情况似乎都有可能：可能先是一段漫长的潜伏期，然后细丝迅速长出，或者是相反的情况。”总之，根据阿尔卡特一朗讯公司锡须专家约瑟夫·斯美塔那(Josephe Smetaila)的总结，“目前我们没有办法左右这些细丝的生长速度及其最终长度”，更不用说预判它们出现的确切位置了。

　　自2006年禁铅令生效以来，业界人士便在摸索其他能够远离这一威胁的方法。然而，约瑟夫·斯美塔那指出，无论是加入镍、铋或者银等昂贵的金属，还是完全使用纯锡的另一些比较经济但根本不计后果的办法，“没有一种能比加入铅更有效”。“疫情”就此失控。因此在一些涉及人身安全的高危领域(军事、航空、核电、医疗等)，仍然沿用了以前的方案。

棘手的现实

　　然而实际上，甚至这些领域也没有完全受到保护，因为就像蒂埃里-巴度所指出的：“决定规则的是那些大众商品以及它们的巨大需求量，我们的供货商无法只限于特种设备生产商了。”因此，美国国家航空航天局收到的货物中的3％，尽管附有所有的合格证书，实际上却是不含铅的。而在法国，“我们偶然在为五颗卫星订购的设备中发现了相似的问题……”蒂埃里·巴度指出。从此，人们对此是慎之又慎，对所有的电子元件进行严格的再加工，有些可疑的电路甚至被换掉，比如法国电力公司的核电站就是这样做的。某些可怕的发现被引以为戒，因为习惯了含铅元件的人们一开始忘记了锡须的威胁，导致了一些疏忽。如2006年5月1日，在美国“奋进”号航天飞船飞行系统的一个故障电路箱中，居然出现了l亿至3亿根锡须!

　　不过，虽然有这些极端的案例，但是自从2006年该禁令在欧洲生效以来，并没有发生耸人听闻的电子灾难，人们的担心是不是过分了一点?这还有待确定。电子元件可靠性专家鲍勃·朗德曼(Bob Landman)认为：“人们比较忌讳锡须事故，事故消息都是私下扩散的。”如海宁·雷德克所言，“有关这些电子缺陷问题的公告会被迅速封锁甚至胎死腹中”。这位专家每月都会接到来自三五个企业(电信、计算机、汽车……)的咨询请求，都与疑似锡须引发的问题有关，但绝对匿名。更复杂的是，若要从一大堆可能性中确定是锡须作祟，找到这种比头发丝还细百倍的细丝的位置，就需要专门的光学仪器和特殊的光线环境，因此，被准确记录的锡须事故还不到一成……

　　而这种“瘟疫”对大众消费品的影响情况仍然是个未知数，因为用户会把问题产品直接丢弃，不会去关心症结所在。“这样的一项调查花费甚巨，而只有个别的工业领域有能力施行这项研究。”海宁·雷德克解释道。总而言之，如今记录在案的百来个案例只是冰山一角而已!

　　既然人们对锡须现象了解有限，而且锡须检测充满禁忌与困难，那么我们有理由认为，半个世纪以来大量不可解释的电子缺陷十有八九都是锡须作怪，未来的形势将同f羊严峻。就像约瑟夫·斯美塔那所说的那样：“大众消费品中的锡须问题将在五六年后大量涌现。”如此算来，20ll或2012年就可能会有一场“锡须瘟疫”的大流行……

在表面喷一层保护膜压住不行吗？还防水

那是软件问题。

如果是，那就PCB焊接完成后，再把所有焊点全部喷上一遍绝缘漆。

这样做的优点，一是锡须不容易长出来，二是即使锡须长出来，也不易短路，因为原来裸露的线路部分都绝缘了。

缺点是电路不好测试了，更不好修理了。

不过军用电路板上都会喷防潮保护膜，文中说军用产品一样出问题，看来作用不大。

我也是看到这篇文章才第一次知道有这事。

　　国内没禁铅，应该发生的很少，国内焊接上发生的问题能确定的是热设计不好，时间长了造成脱焊。

但不是唯一原因，管脚被冲压后产生的局部应力集中也是重要原因之一，还有元件工作过程中不同材料热胀冷缩形变引起的的应力，总之原因很多，现在工业界有一定认识，但并未完全搞明白。

锡须问题普通电子消费者没必要操心，锡须成长到短路一般需要一两年以上的时间。需要操心的是高可靠性要求的工业系统，医用产品，军品，和大型服务器等等。

美国这边INEMI做了很多研究，业界也算是有些低门槛的评估测试标准，还有些很有实际指导意义的工艺文件。学届也有研究，马里兰大学有个研究中心这方面很有名，这个中心还有几家大型企业凭着自己的数据库发展出若干数学预测模型，你输入自己的工艺参数，模型会算出危险几率，很多模型是收费的，相当不便宜。

NYJD文中的若干专家我是有些接触的，有些人是干军品出身，他们的立场是“纯锡零容忍”，他们有夸大锡须危险的习惯。实际情况是第一他们自己很信这个，他们中的有些人从六十年代起就开始与锡须搏斗；第二点更重要的原因是他们想极力扭转元件生产商那边的产品设计，不然的话F-22等尖端武器会出现找不到合格电子产品的窘境，第三个目标是要极力阻止美国版禁铅法案。

我本人很不支持欧洲搞的这个RoHS禁铅令，它出台的过程很不科学化。但NYJD文中Bob Landman等人什么电子质量问题都往锡须上面引的做法也不明智，长久下去会丢掉自己声誉的。

国内外同行有兴趣交流可以站内短信联系。

它有一定的保护效用，锡须生长往上顶的力量是很强的，穿破保护层很容易，但等它折断后掉下来，这Conformal Coating就可以保证它不会直接接触旁边的管脚。

长知识了，谢谢！

凭经验，我觉得低频电路的寿命更长些，毕竟高频电路伴随着高发热。

那些内部压力、局部应力集中、不同材料热胀冷缩形变等，都解释不了“可达1厘米的细锡丝”，这有点儿像晶体的生长了。

虽然解释不了原因，但工业上可以想些办法阻止这种现象、以及它的危害，既然加铅可以，那就接着用，这些电子产品含铅对人健康的危害，很小吧。

沿着镀锡层内部锡粒微结构（grain structure)边界爬行，老一代的纯锡电镀工艺（目前还是亚洲元件业主流）产生的锡粒结构是竖着的，锡分子沿着边界爬行的结果就是慢慢往上长，一旦完全突破，结果就是附近的锡分子源源不断地涌来，都想出去透透气，least resistance path, 所以这锡须就越来越长了

目前被证明相当有效而且很廉价易行的缓释方法是电镀后二十四小时内的anneal热处理，让锡分子们小小地活动活动，找个稍微舒适的位子为长期挤下去做准备，减少分子们拼命向外跑的动力。

目前大部分的集成电路厂商都有这道工艺，不是百分之百有效，但是最起码保证了2006年禁铅令实施后四年来没出现太大的事故。

不是因为坏了，而是因为过时了，再加上电子产品相对工资来说越来越便宜。

　　关于发热，不同的电路情况不同。一般来说模拟电路如收音机、扩音机等（晶体管处于放大状态的）发热情况与频率无关，只与功率有关。数字电路由干它的特性在0和1状态变换过程中有个短暂的大电流（相对于稳态时），频率越高耗电就越多。