晶鬚的發生原因與試驗、觀察、評估的課題解決
「晶鬚」會因各種原因而發生、生長，會造成電機機器與電子元件短路等問題，必須盡速採取對策。在此說明晶鬚的發生原因、成長機制和環境、各種評估試驗。並介紹使用最新的4K數位顯微鏡，解決以往的光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）的晶鬚觀察課題的改善案例。
晶鬚的發生原因和問題
「晶鬚」是指金屬表面上金屬單結晶自然成長的現象，鍍錫（Sn）和鍍鋅（Zn）等特別容易發生。晶鬚的英文原意是指貓或老鼠的鬍鬚，意指呈針狀或小瘤狀成長的金屬結晶。
晶鬚的問題和變遷
電路與連接部有晶鬚時，可能造成短路，成為電機產品與電路、電子元件等的故障原因。
1946年因為收音機的可變電容器鍍膜使用鎘，導致市場上陸續出現短路故障，讓鎘晶鬚從此引發市場關注。
1950年代將鉛微量合金化以控制晶鬚的對策開始普及。然而2000年以後因應封裝無鉛化浪潮，鍍錫開始普及。結果從手錶到核反應爐，到NASA人造衛星與太空梭等航太領域，陸續出現晶鬚帶來的故障，成為嚴重問題，並再次引發關注。
晶鬚的發生原因
晶鬚的發生主要可能有以下幾種原因。
- 金屬間化合物擴散的影響
- 電位差腐蝕*的影響
- 外部應力的影響
- 熱膨脹係數差的應力影響
其他還有許多因素，但發生晶鬚的根本原因並未查明。
電位差腐蝕… 異種金屬電氣接觸時，因兩者間的電位差而產生的腐蝕，也稱為「異種金屬接觸腐蝕」。
晶鬚發生的環境
錫或鋅的晶鬚在室溫中也會快速擴散，但在幾種環境影響下，會加速元素擴散。以下列舉發生晶鬚的代表性環境條件。
- 在室溫中發生
- 在溫度週期發生
- 氧化、腐蝕性發生
- 在外部壓力下發生
- 在電遷移現象*發生
電遷移現象發生的晶鬚，會出現在電流密度高的半導體或覆晶等特殊封裝中。
電遷移現象…電流流過積體電路內部的金屬配線，導致金屬原子移動的現象。例如在鋁配線中，鋁原子會朝電子流動的方向移動，因此晶鬚、小丘會在正極側發生。
晶鬚試驗的觀察、評估
晶鬚的發生和生長是電機、電子產品的故障原因，為了採取對策而進行各種試驗和觀察、評估。在此說明晶鬚評估試驗的種類和環境等的範例，與觀察、評估的現狀和趨勢。
晶鬚評估的試驗範例
以下是目前使用的晶鬚評估試驗種類和環境等的範例。
- 室溫放置試驗
- 金屬間化合物/擴散影響而發生的晶鬚成長觀察
環境：30±2°C/60±3%RH、時間：4000 Hr
- 恆溫恆濕試驗
- 電位差腐蝕而發生的晶鬚成長觀察
環境：55±3°C/85±3%RH、時間：2000 Hr
- 溫度週期試驗
- 熱膨脹係數差而發生的晶鬚成長觀察
環境：低溫 -55±5°C或-40±5°C/高溫 85±2°C或125±2°C、週期：2000週期
- 外部應力試驗
- 外部應力影響而發生的晶鬚成長觀察
種類：連接器嵌合試驗（使用實際產品）、負載試驗（對球形0.1Φ的鋯球施加300 gf的負載保持500 h）
晶鬚對策的關鍵、放大觀察、評估
透過放大觀察各種試驗中發生、生長的晶鬚進行狀態分析和評估，可事前掌握產品的故障風險，並採取對策。透過對電機產品或電子元件的放大觀察，可提供研發、電路設計、材料選定方面的重要資訊。
晶鬚的放大觀察過去常用一般的光學顯微鏡，或以掃描電子顯微鏡（SEM）短波電子線取代光，進行奈米等級的觀察。近年來隨著光學系統和影像處理技術的躍進，簡單操作即可用清晰影像觀察的數位顯微鏡問世，更有效率的觀察、評估晶鬚。
晶鬚觀察、評估的最新課題解決案例
以往用來觀察晶鬚的掃描式電子顯微鏡（SEM）和顯微鏡有各種課題。
KEYENCE的超高精細數位顯微鏡「VHX系列」透過最新技術的高解析度HR鏡頭、4K CMOS、影像引擎、照明等，簡單操作即可快速實現清晰的4K影像進行放大觀察。在此介紹解決以往晶鬚觀察、評估課題的案例。
克服掃描式電子顯微鏡（SEM）的晶鬚觀察課題
以往的課題：掃描式電子顯微鏡（SEM）
晶鬚觀察時，在試料室內的試料定位，與「抽真空」等讓試料室成為真空或低真空狀態觀察的事前準備，很花時間和人力。
此外，由於只能從正上方觀察試料，因此觀察形狀立體的晶鬚時，每次改變角度就要重新進行準備作業。
使用4K數位顯微鏡「VHX系列」
透過新開發的光學系統和4K CMOS，不需要真空室，直接在大氣環境下進行最高6000倍的放大觀察。全面解決SEM的課題，提升工作效率，又能用清晰的4K高解析度影像進行觀察。
此外利用「全角度觀察系統」和「高精度X、Y、Z電動載物台」，可從任意角度輕鬆進行視野、旋轉軸、傾斜軸等的傾斜觀察。
利用「即時導航合成」，可直接在高倍率、高解析度下對樣品整體全幅對焦。只要從影像中點選要觀察的部位，就會自動移動載物台、對焦及景深合成，因此可省下試料定位的麻煩，還能大幅提高效率。
解決顯微鏡的晶鬚觀察課題
課題：以往的光學顯微鏡
有立體形狀的晶鬚，或發生晶鬚的樣本為立體結構時，只能進行部分對焦。
並且無法傾斜觀察，要花時間調整觀察位置，對操作人員的熟練度要求較高。
使用4K數位顯微鏡「VHX系列」
透過高解析度HR鏡頭和電動旋轉器的「無縫縮放」，在20-6000倍之間不需更換鏡頭，就可用清晰的4K影像進行放大觀察。
- A. 高解析度HR鏡頭
- B. 電動旋轉器
即使表面有因晶鬚形成的凹凸，透過包含景深合成的「即時導航合成」，可在倍率、解析度不變的情形下，對目標物整體對焦。只要從整體全幅對焦的影像點選要觀察的部位，就能自動移動載物台和對焦，大幅提升作業效率。
利用「全角度觀察系統」與「高精度X、Y、Z電動載物台」，可實現以往的顯微鏡難以達成的傾斜觀察。可從任意角度、觀察位置，有效率的觀察瘤狀晶鬚。
觀察立體晶鬚的新基準
高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」還配備許多功能，例如使用「3D尺寸量測」的晶鬚3D形狀量測與輪廓量測、重現過去的拍攝條件、自動編製報告功能等。
讓立體的晶鬚觀察、分析以及量測，可以定量化、效率化，做為取代顯微鏡和SEM的新工具，為電機產品與電子元件等相關各種現場，帶來巨大的好處。
有關「VHX系列」的詳細說明，請下載型錄，或洽詢KEYENCE。
