随着电子行业不断提高遵守ROHS标准的程度，使用普通共晶锡铅焊锡的元件越来越少。人们广泛地把铅从电子系统中拿走，但是，锡须可能引起故障的风险却十分普遍。
锡须是微米数量级的金属细丝，它在纯锡的表面出现，不可预见，像针状细丝，或者“突然冒出来的奇形怪状”、向外伸出来的细丝，或者不规则的小结节状的“凸起物”。它们是单晶体，导电，并且能够生长到相当的长度（＞2.0毫米），从而有可能在紧密排列的导线、走线和焊点之间形成电气短路。
人们普遍认为，薄锡层的形态和它们下面的基板（包括、但不限于锡和铜之间的界面上形成的Cu6Sn5金属互化物），还有应力条件和/或应力梯度以及可能的环境条件，也许这些因素都可能在晶须的生长中起着有意义的作用。
科学界依然不懈地努力，试图揭开形成锡须的物理机制，一些人则着重研究减少锡须的方法，以应对纯锡表面出现的不可预测知的问题，提高组件的可靠性。本文的目的是后者。本文扩大了我们以前的工作。我们以前工作的结论是，纳米多晶锡和多晶铜上面的多晶锡在次热循环后形成混合晶须的情况得到减轻。
背景
这项研究的目的是延伸我们以前的工作。在以前的工作中，我们探讨了影响传统镀锡层表面上面的纳米晶体铜底面层的影响，以及生长晶须的程度。在以前的研究中，我们发现，在用电子束蒸镀（物理气相镀膜（PVD）技术）镀锡或者电镀亮锡后，纳米铜减少了锡须的密度。
通过电镀亮锡把多晶锡电镀在铜表面层上，铜层的平均晶粒尺寸为纳米时，晶须完全消除了。
在目前的工作中，分别通过镀暗锡和镀亮锡，在纳米晶体铜和多晶铜覆盖的基板上镀一层薄纯锡。我们研究的变量包括电镀的占空比和掺入的晶粒细化剂数量。对这些样本进行热循环，促进晶须在易受影响的样品上生长。本文还讨论了最后得到的表面形态，应力水平和生长晶须的程度。
纳米结构层的沉积通常是通过脉冲电子束镀膜（PED）完成，加入有机添加剂，如复杂的成形剂和抑制剂以便得到较小的晶粒。这些添加剂能够抑制晶粒的生长，从而得到比较细的晶粒结构。在这方面，我们根据我们先前的发现，即镀层中含的电解液添加剂（即增白剂和抗氧化剂）和我们的PVD层（表面上看是“纯”）一样，与晶须的生长无关，因此，在研究中我们可以根据研究的需要使用电镀添加剂来减少晶须生长。
实验细节
镀铜与分析
我们在研究中使用的测试基板是1“×1”×0.“的铜基板。纳米晶体铜的电镀沉积是铜电镀槽中用PED镀膜形成，铜电镀槽中的电镀液由硫酸铜、硫酸铵和柠檬酸组成，柠檬酸作为晶粒细化添加剂。铜电镀膜是用电流密度0.A/平方英尺、峰值电流为10A的电流进行电镀得到。多晶铜薄膜是用直流标准硫酸铜工艺得到。电镀铜膜的厚度为5微米。
图1a和1b分别是多晶铜和纳米晶体铜薄膜形态的扫描型电子显微镜（SEM）显微照片。多晶铜的平均晶粒尺寸为2微米，纳米晶体铜的平均晶粒尺寸为纳米。
镀锡膜
添加晶粒细化剂，分别用镀暗锡和镀亮锡把纯净的锡镀在多晶铜和纳米晶体铜基板上。电流密度为0.A/平方英寸，峰值电流为10A，采用不同的占空比。使用纯锡阳极，阳极的工作温度为25℃，连续进行机械搅拌。镀亮锡和镀暗锡（表1-2中为BC和MC）的对照基板，是用直流镀膜，不使用晶粒细化剂，以便进行比较。对样品进行镀暗锡和镀亮锡的工艺参数分别见表1和表2。
正如以前的研究中所说的，我们选择的镀锡层厚度为2微米，由于这个厚度在20微米之内，低于减少锡须阈值的上限，大于1μm的减少晶须阈值的下限，这个阈值是Ostermann提出的，不过，由于这个厚度接近阈值的下限，晶须生长比较慢。
热循环
镀锡后，所有样品按照IEC-2-82的规定进行热循环。热循环的温度范围为-55℃到+85℃，持续10分钟，历时9天（总共进行个热循环）。
微观分析
所有的热老化完成后，立即用扫描电子显微镜（SEM）进行分析。一系列的显微照片显示，“对照的”（多晶）镀锡层的形态，通过改变晶粒的细化程度，镀锡层的形态不一样，图2a至2c是镀亮锡的显微照片，图3a-3c是镀暗的显微照片。
在纳米晶体铜上镀亮锡情况中，显微照片中有清晰的、椭圆形长晶粒演化为逐渐聚结的情况，平均表面粗糙度直线下降。在纳米晶体铜上的镀暗锡的情形，对于多晶控制，在两个细晶粒样品中有一个粗糙度的非线性发展过程，但是平滑清晰。
图4左图是多晶铜衬层上面的锡膜，右图是纳米晶铜衬层上面的锡膜。这两个锡膜是同样的，数字对应于表1和表2中所列的序号。
在图4中，把显微照片放在一起，对比多晶锡上面的锡膜和下面的纳米晶体铜层。对于研究中使用的所有配方，观察镀锡层的表面结构表明，镀锡层下面的铜层对镀锡层的表面结构没有任何影响。
应力和表面粗糙度
八种不同类型锡的表面粗糙度分别称作IPC-1到IPC-8（见表3），表面粗糙度使用VeecoWykoNT1光学轮廓测定系统测定，放大倍率为50倍，每个图像为帧。
我们用KLATencor公司的激光FLX薄膜应力测量系统测量了IPC1-IPC8的沉积应力。用来进行应力和表面粗糙度测量的测试基板由4英寸圆形硅晶片构成，用电子束蒸镀A的铬、1微米的铜（作为芯晶层）对硅晶片进行金属化，然后电镀2微米的锡（样品IPC1-IPC8参数见表3）。在芯晶蒸镀（作为基础）之后，测量曲率半径和弓度，然后，在镀锡后再测量曲率半径和弓度，得到一个应力读数以进行比较。
表4中的数据表明，纳米晶体膜的应力没有明显的不同，或者相对多晶铜膜在大小方面呈线线性关系。IPC2和IPC3（都是纳米晶体暗锡）的表面粗糙度小于IPC1（多晶暗锡），而IPC4（纳米晶体暗锡）的表面粗糙度稍大些。另一方面，和IPC5（多晶亮锡）相比，IPC7和IPC8（两者都是纳米晶体亮锡）的表面粗糙度都比较大，而IPC6（也是纳米晶体亮锡）的表面粗糙度比较小。
锡须
用纳米铜衬层制备的14个亮锡样品中，只有三个样品有晶须（序号4、6、和10）。
我们观察到各种形态的晶须，包括典型的条纹形针状细丝、形状古怪的细丝、凸起、以及光滑的长方形晶须。图6是一个凸起（老化后它可能最终演变为晶须），是在镀亮锡对照样品（序号2）的表面上形成的，图7是长方形晶须，在镀暗锡对照样品（序号15）的表面上形成的。与以前的工作[1]不一样的是，我们发现，多晶铜上面的多晶暗锡的确形成晶须（图8），而纳米晶体铜上面的暗锡没有形成晶须（图3a）。
收集了SEM检查的平面扫描照片之后，把4个样品作罐封，并作切面。对锡和铜界面上的金属互化物（IMC）部位作了两次成像：一次是在机械抛光后（图9－12），一次是使用商用锡剥离剂进行两分钟的湿法化学腐蚀之后（图13－16）。在腐蚀之前，蜿蜒的分界线清晰可见，估计了厚度。与多晶锡相比，对于细晶粒锡，在暗锡和亮锡两种情况下，金属互化物在体积和厚度方面都比较大。
结论
我们已经成功地证明，通过脉冲镀膜和加入晶粒细化剂，能够改变锡的晶粒尺寸、形状和晶体结构。样品在腐蚀前和腐蚀后的切面可能说明，对于纳米晶铜上面的细晶粒锡，样品中的金属互化物体积增大。锡与铜之间界面的金属互化物（IMC）部位的初步成像表明，纳米铜衬层防止多晶锡形成晶须，多晶铜衬层则不能够——和我们先前的发现[1]相反。
我们准备在下一年对所有的28个样品进行环境老化，隋后进行显微镜分析，从纳米结构程度和/或表面平滑程度方面评估所有晶须在生长倾向上的差别。对于今天的微电子行业，使用无铅焊锡已是现实，对于微电子行业，不可预知的锡须性是重大挑战，它决定着微电子器件的可靠性。
在决定是否改变镀层内部晶粒形态方面必须做进一步的研究（和计划），这些工作可能有助于重新分配电镀时的应力和逐渐变化的应力，也能延缓或防止生长锡须。
图1a和1b分别是多晶铜和纳米晶体铜薄膜形态的扫描型电子显微镜（SEM）显微照片。多晶铜的平均晶粒尺寸为2微米，纳米晶体铜的平均晶粒尺寸为纳米。
镀锡膜
添加晶粒细化剂，分别用镀暗锡和镀亮锡把纯净的锡镀在多晶铜和纳米晶体铜基板上。电流密度为0.A/平方英寸，峰值电流为10A，采用不同的占空比。使用纯锡阳极，阳极的工作温度为25℃，连续进行机械搅拌。镀亮锡和镀暗锡（表1-2中为BC和MC）的对照基板，是用直流镀膜，不使用晶粒细化剂，以便进行比较。对样品进行镀暗锡和镀亮锡的工艺参数分别见表1和表2。
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