- 文献综述（或调研报告）：
摘要：金属晶须(Whisker)是一种在金属表面自发生长出的细丝状晶体，具有良好的导电性，常见于低熔点金属(如Sn、Cd、Zn等)。早在1946年，贝尔实验室的研究人员就已经发现电子器件的Sn涂层会自发生长出Sn晶须。Sn晶须具有较高的电流负载能力，会对电子器件造成短路威胁。抑制Sn晶须的生长对电子器件微型化有着重要意义。到了1959年，Arnold发现在锡中添加少量铅即可有效抑制Sn晶须生长。在此后将近50年中，工业界普遍采用锡铅合金镀层及焊料以抑制Sn晶须生长。然而铅却是已知毒性最大、累积性极强的重金属之一。随着全球环保意识兴起，欧盟与2006年执行RoHS指令，限制Pb等有毒物质的使用，Sn晶须问题再度出现。锡铋合金镀层由于具备抑制晶须、熔点较低、可焊性好等特点，很有希望成为锡铅镀层的替代品。关键词：锡铋合金；晶须；生长机理；抑制。
锡铋合金
锡铋合金属于环保型合金.常温下呈固态，为银白色金属，熔点为138℃,固液体积收缩率为0.051%,具有较强的渗透性。除了上文提到的优点外，锡铋合金还有着阻尼性能好，热稳定性高以及尺寸稳定性好等特点。同时，Sn-Bi为代表的低温焊料具有良好的润湿性、较高的抗拉强度和环境协调性良好等优点。因此，有广泛的研究和应用。Sn-Bi合金镀层是最早实用化的无铅合金镀层，尽管1960年已经报道了它的抑制晶须功能。但在后来实际的应用中，有研究发现了在焊点界面处小丘或者晶须生长的现象。这增加了电子元器件使用期间短路的风险，降低了焊点的可靠性。因此对晶须生长的研究对提高焊点可靠性具有一定的实际意义和价值。
锡铋合金电镀工艺
锡铋合金作为镀层焊料满足元件绝缘性能和环保的要求，经过实践研究，适合电镀Sn-Bi镀层的工艺为[1]：镀液中稳定剂含量1.5~2 mL/L、平滑剂含量0.5~1 g/L、光亮剂8~10 mL/L、表面活性剂含量3 g/L、pH值0.9~1.1、阴极电流密度1 A/dm2。通过这种工艺条件，得到了可焊性及结合力良好的Sn-Bi合金镀层和稳定、易操作的镀液。得到的试样外观均匀致密、光亮、结合力强，多次刮划和反复弯曲180°时无镀层的脱落，是较为理想的镀件。锡铋合金镀层由于有着抑制晶须的特点，很有希望成为无铅焊料镀层之一，其在国外已大量推广使用，国内的研究和应用较少。
铋元素对Sn晶须的抑制
Sn-Bi合金镀层是最早实用化的无铅合金镀层，尽管1960年已经报道了它的抑制晶须功能，但是由于其电镀工艺较为复杂且难以管理，目前也只有日本和韩国的半导体制造商在广泛使用。在室温下，Sn可以在Cu材基上形成均匀的金属间化合物(IMC)，微量的Bi元素可起到与Pb一样的作用，即可以抑制局部Sn晶界上IMC的生长[2]。在含有Bi的锡铋薄膜中，其应力松弛度均显著高于纯锡薄膜，并且松弛度随着Bi含量的增加而增加，含有10 wt%Bi元素的锡铋薄膜样本的应力松弛度可以与锡铅薄膜相媲美[3]。在高温或者应力载荷下Sn-Bi合金镀层的晶须抑制效果仍需要实验研究结果。
关于IMC的生长对晶须的影响，研究结果不一。在以W为基体，Sn-Cu为电镀层的实验中，添加铜电解液并允许Cu6Sn5 IMC沿Sn晶粒内部和晶界形成沉淀，提高了压应力果表明，即使没有界面IMC，本征镀应力也能产生锡须。但进一步研究发现，当没有界面IMC形成的条件下，已形成的晶须无法继续生长，没有额外的压力源来提供晶须生长的驱动力，这一结果又恰恰说明界面IMC的形成时晶须生长所必需的[4]。
Bi元素对Sn晶须的生长抑制是有限度的。实验证明，在退火过程中，Sn晶粒的热膨胀会挤压熔点相对较低的Bi-Sn合金，从而产生晶须。尽管其确切机理尚不清楚，但这应该与在回流共晶Sn - Pb焊料上形成Sn - Pb晶须的原理类似[5]。
锡晶须生长机制
对合金表面Sn晶须自发生长的研究由来已久，并以含Sn镀层表面生长的Sn晶须最为典型，在Sn-Cu、Su-Zn等合金镀层中经常可以观察到Sn晶须生长的现象。
晶须在不受外界干扰的条件下的生长符合一般晶体的生长规律。按不同机理生长的晶须形貌往往有所不同。按照气液固晶须生长机理（VLS机理）生长的晶须不仅在顶部可能保留有小液滴，而且部分晶须会出现分支、弯曲等现象。按气固生长机理（VS机理）生长的晶须在很低的过饱和度下以较慢的速率生长，因此其生长过程接近于理想状态，这种晶须的直晶率、表面光洁度均较好[6]，而Sn晶须的自发生长并不符合上述机制。目前，主要的晶须生长机理有以下五种[7]：
位错机制
锡晶须生长的位错机制建立于上世纪50年代，先后存在两种不同的观点：锡晶须从顶部生长的螺位错机制和从根部生长的刃位错机制。1952年，Peach-29l首先提出了锡晶须从顶部生长的螺位错机制。之后Frank和Eshelby在1953年推测晶须生长与晶须根部的位错运动有关，锡晶须生长的驱动力是镀层表面氧化而产生一种负表面张力。
1976年，Linborgl8提出了基于两个阶段的锡晶须位错生长机制：第一阶段是位错环形成和扩展；第二阶段是位错环向晶须表面攀移，位错滑移到表面后沉积一层锡原子成为晶须的一部分。但之后的各种实验结果表明晶须的生长可能与位错无关。
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