产生晶须的原因与试验，观察评估的难题解决
“晶须”产生的原因有多种，带有“晶须”的产品进入市场后可能会引发电机设备、电子元件短路等故障，必须采取有效的对策。下面将对晶须的产生原因、生长机理与环境，以及各类评估试验进行说明。剖析部分光学显微镜及扫描电子显微镜（SEM）在晶须观察方面面临的难题，介绍使用新型4K数码显微镜系统解决这些难题的方案。
晶须问题与产生原因
“晶须（whisker）”是一种金属表面自然生长出金属单晶体的现象，在锡（Sn）镀层、锌（Zn）镀层等表面尤为常见。正如晶须中的须字之意，这种金属结晶就像猫和老鼠的胡须一样，呈针状或瘤状生长。
晶须问题与历程
如果电子电路或连接部长出了晶须，可能会导致短路，引发电机产品、电子电路、电子元件等的故障。
1946年，收音机可变电容器开始采用镉电镀后，进入市场的产品接连发生短路故障，镉晶须自此便开始受到关注。
1950年代，微量铅合金技术作为一种抑制晶须的措施，逐渐开始推广普及。但是进入2000年代后，无铅化焊接的浪潮席卷全球，让锡电镀成为了时代的新宠。随后，小到手表，大到核反应堆，甚至连NASA人工卫星、航天飞机等航空航天领域，都开始接二连三地出现晶须引起的故障，这项问题再次成为了全球关注的焦点，重要性激增。
晶须的产生原因
之所以会产生晶须，主要是受到了下列因素的影响。
- 金属间化合物扩散的影响
- 电偶腐蚀*的影响
- 外部应力的影响
- 热膨胀系数差造成的应力的影响
除此以外，可能还会受到其他各类因素的影响，但是晶须产生的根本机理还是一个谜。
电偶腐蚀… 对异种金属进行电气连接时，在两者间电位差作用下发生的腐蚀现象，又被称为“异种金属接触腐蚀”。
晶须产生的环境
锡、锌成分的晶须在接近于室温的条件下也会呈现快速扩散的态势，但在几种环境条件的影响下，元素扩散会得到促进。产生晶须的代表性环境条件如下所示。
- 室温下产生
- 温度循环中产生
- 氧化、腐蚀性产生
- 外压下产生
- 电迁移现象*中产生
在电迁移现象中产生的晶须，会出现在电流密度较高的半导体及倒装芯片等特殊封装中。
电迁移现象…电流从集成电路内部的金属配线中流过时，金属原子发生移动的现象。以铝制配线为例，铝原子朝着电子流动的方向移动后，阳极侧就会有晶须或小丘生长出来。
晶须试验及观察、评估
晶须的产生及生长会引发电机及电子产品的故障，通常会实施各类试验及观察评估，以便采取预防措施。下面将以晶须评估试验的种类及环境为例，对相关观察评估的现状与倾向进行说明。
晶须评估试验示例
现行晶须评估试验的种类与环境如下所示。
- 室温静置试验
- 对金属间化合物/扩散影响导致的晶须生长进行观察
环境：30±2°C/60±3%RH、时间：4000 Hr
- 恒温恒湿试验
- 对电偶腐蚀导致的晶须生长进行观察
环境：55±3°C/85±3%RH、时间：2000 Hr
- 温度循环试验
- 对热膨胀系数差导致的晶须生长进行观察
环境：低温 -55±5°C或-40±5°C/高温 85±2°C或125±2°C、循环：2000个循环
- 外部应力试验
- 对外部应力影响导致的晶须生长进行观察
种类：连接器嵌合试验（使用实际产品）、荷重试验（荷重300 gf的0.1Φ氧化锆球，维持500 h）
预防晶须的关键，放大观察及评估
通过各类试验对产生、生长的晶须实施放大观察，并据此开展状态分析与评估，能够帮助我们提前掌握产品的故障风险，及时采取对策。放大观察及评估能够在电机产品、电子元件等产品正式上市前，提供研究开发、电路设计、材料选用、生产制造等方面的重要信息。
晶须的放大观察，会使用光学显微镜或扫描电子显微镜（SEM），其中，扫描电子显微镜能够用短波长电子束替代光线，进行纳米级的观察。但是近年来，随着光学系统与图像处理技术的飞速发展，能够以简单操作观察清晰图像的数码显微系统相继登场，使得用清晰图像高效观察评估晶须成为了可能。
晶须观察评估难题的解决案例
过去，晶须观察中常用的扫描电子显微镜（SEM）及显微镜面临着各式各样的难题。
基恩士的超高精细数码显微系统“VHX系列”配备了以先进技术为驱动力的高分辨率HR镜头、4K CMOS、影像系统、照明等功能，可通过简单操作，快速实现基于清晰4K图像的放大观察。下面介绍解决晶须观察评估中各类难题的应用案例。
解决用扫描电子显微镜（SEM）观察晶须是面临的难题
难题：使用扫描电子显微镜（SEM）时
观察晶须时，要花费许多时间和精力进行观察前的准备工作，例如在样本室内调节样本的位置，通过“抽真空”使样本室处于真空或低真空状态等等。
此外，由于只能从样本的正上方进行观察，如需观察具有立体结构的晶须，每换一次角度就要重新进行一轮准备工作。
引进4K数码显微系统“VHX系列”后
利用新开发的光学系统与4K CMOS，无需再借助真空室，可以直接在大气环境下实现涵盖全视野、最高6000倍的放大观察。不仅能充分解决准备工时这一SEM面临的问题，还能用清晰的4K高分辨率图像进行观察。
而且能够利用“全方位观测系统”与“高精度X、Y、Z电动载物台”功能，实现与视野、旋转轴、倾斜轴相匹配的倾斜观察，轻松实现各个角度的观察。
利用“导航实时合成”功能，甚至能在确保高倍率、高分辨率的同时，对样本整体进行全幅对焦。只需在整体图像中点击选择需要观察的位置，就能自动完成载物台移动、对焦及深度合成，不仅能省去调节样本位置的麻烦，还能进行高效观察。
解决用显微镜观察晶须是面临的难题
难题：使用部分光学显微镜时
在观察具有立体结构的晶须，抑或是产生晶须的样本为立体物时，显微镜只能进行局部对焦。
由于无法进行倾斜观察，必须花费大量时间去调节观察位置，观察难度很高，要求操作者具备一定的熟练度。
引进4K数码显微系统“VHX系列”后
借助用高分辨率HR镜头和电动镜头转换器共同实现的“无缝缩放”，无需更换镜头，就能以20至6000倍的倍率拍摄清晰的4K图像，进行放大观察。
- A. 高分辨率HR镜头
- B. 电动镜头转换器
对于晶须造成的表面凹凸，也能利用包含深度合成的“导航实时合成”功能，在维持倍率及分辨率的状态下，对目标物整体进行对焦。只需在全幅对焦的图像中点击选择需要观察的位置，就能自动完成载物台移动和焦点合成，实现了作业效率的飞跃性提升。
利用“全方位观测系统”和“高精度X、Y、Z电动载物台”，还能实现部分显微镜无法做到的倾斜观察。能够以各个角度，高效观察各个观察部位的瘤状晶须。
观察立体生长晶须的新基准
高精细4K数码显微系统“VHX系列”还配备了可进行晶须3D形状测量及轮廓测量的“三维尺寸测量”功能、过往拍摄条件自动再现功能、报告创建功能等众多功能。
作为一款能够对立体生长晶须进行定量化、高效化观察、分析及测量的产品，“VHX系列”将成为替代部分显微镜和SEM的新工具，在电机产品、电子元件及各类相关领域的生产现场发挥重要的作用。
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