2024年6月2日发(作者：镇天禄)
合金化方法抑制银晶须生长的研究
徐强;林广;张瑞强;肖富强
【摘 要】瓷介电容器具有诸多优点而被广泛用于电子电路中,而瓷介电容器引出端
金属层会自发生长晶须,晶须的产生会造成电气短路、残屑污染、等离子体电弧放
电等问题,对电子行业产生一定风险.本文以瓷介电容器端面银层为研究对象,利用合
金化的方法,通过向银中添加一定含量的钯,经充分混合、涂覆、烘干、烧银后置于
低气压受热环境下,借助SEM、EDS等方法探究添加钯对银晶须生长的影响.结果表
明,通过向银中添加钯不能完全抑制银晶须的生长现象,但钯能够减缓银的迁移速率,
延长晶须生长孕育期,在一定程度上能够抑制银晶须的生长.
【期刊名称】《电子元件与材料》
【年(卷),期】2019(038)003
【总页数】4页(P77-80)
【关键词】合金化;钯;抑制;银晶须;生长
【作 者】徐强;林广;张瑞强;肖富强
【作者单位】成都宏明电子科大新材料有限公司,四川 成都 610100;成都宏明电子
科大新材料有限公司,四川 成都 610100;成都宏明电子科大新材料有限公司,四川
成都 610100;成都宏明电子科大新材料有限公司,四川 成都 610100
【正文语种】中 文
【中图分类】TM53
瓷介电容器由于具有体积小、容量大、等效电阻及等效电感小等诸多优点被广泛用
于各电子行业中。但瓷介电容器引出端需涂覆金属层，金属层在使用过程中可能形
成晶须。作为金属晶体，其导电性强，在电子行业尤其是微电子行业中，由于电子
元器件小型化且安装后元器件之间间隙较小，若晶须生长尺寸超过该安装间隙或晶
须在生长过程中由于外部因素而发生断裂，则可能引发微电路短路，导致设备故障。
晶须会自发生长，早在300多年前，著名科学家玻义耳(Robert Boyle)在 《化学
家的怀疑和悖论》(The Sceptical Chymist)中论述了银晶须自发生长的现象[1]。
从20世纪40年代开始，人们相继发现了镉晶须及锡晶须对电子设备的危害，并
试图改善其影响[2-3];直至1959年，Arnold等[4]发现通过合金化的方法向锡中
添加少量铅，能够有效抑制锡晶须的生长。
对于晶须的研究多集中于锡晶须，而对银晶须的报道较少且大部分偏向电镀，其厚
度仅为几微米，使用条件大多为常温常压;作为纯银引出端的瓷介电容器，经涂覆
后其银层厚度可达几十微米，使用条件较为苛刻，多为低气压受热，在使用后端面
银层中会生长如图1所示的银晶须。研究发现[1，5-6]，合金化、热处理、涂覆等
方法均可在一定程度上抑制晶须，且相关研究表明[7-8]钯元素能够减缓银离子的
迁移。
图1 银晶须形貌Fig．1 The morphology of silver whisker
本文借鉴合金化的方法，向银膏中添加钯元素，利用涂覆的方法，制备厚度较大样
品，探究在低气压受热条件下钯对银晶须的影响，以期抑制银晶须的生长。
1 实验材料及方法
本实验采用瓷介电容器为载体，分别将纯银膏以及添加5%，15%(质量分数)钯的
银膏作为涂覆材料。银膏经过充分混合后采用自制模具均匀涂覆至瓷介电容器样品
引出端面，涂覆厚度约40 μm。样品经过DZF-6020真空烘箱低温烘干2 h后采
用TF92-8-90A24型BTU烧结炉烧制样品1#、2#、3#，分组情况详见表1。为
模拟使用环境，实验选择在真空度小于6．65×10-3Pa、温度60～65℃的条件下
分别进行14天及28天。实验前用扫描电镜确定样品表面无银晶须后利用Φ360
真空浸渍设备对样品进行实验，分别待14天及28天后取出样品，经无水乙醇清
洗后，采用SU3500扫描电镜配合EDS能谱分析仪对实验后的样品进行观察分析，
确定银晶须形貌及尺寸，实验流程见图2。
表1 实验分组情况Tab．1 Group of experiments样品编号 涂覆层成分 (质量组
成)1# 100%Ag 2# 5%Pd+95%Ag 3# 15%Pd+85%Ag
图2 本文实验路线Fig．2 The experiment route of this paper
2 实验结果及分析
2．1 实验结果
经过14天的实验，取出样品并用无水乙醇清洗。将清洗并吹干的样品置于扫描电
镜进行观察，样品银端形貌如图3所示。
图中显示，1#表面存在明显的银晶须;2#、3#表面有白色颗粒状物质存在，且随钯
含量的增加白色颗粒数量及尺寸均在减小。对3#样品白色颗粒状物质进行EDS能
谱分析，结果见图4、表2。能谱结果显示，白色点状物质Ag含量高，其中还含
有O、Pd元素，由于该白色点状物质尺寸小，约0．1 μm，能谱分析范围可能超
出该白点区域，致使其中含有Pd元素，但Pd含量小于添加量，故该白点物质为
处于萌发状态的银晶须;O元素的出现说明该端面存在氧化现象。
图3中还可以发现，随着钯含量的增加，银晶须整体尺寸在逐渐减小。1#样品银
晶须呈现出成簇的块状，其尺寸大，约为10．12 μm，在块体周围晶粒上有萌态
细小晶须，晶须还在继续生长;2#样品添加质量分数5%钯，其表面存在萌态银晶
须，银晶须呈现细蠕虫状，尺寸约为1．82 μm;3#样品添加质量分数15%钯，其
表面存在点状的萌态银晶须，其分布较为分散，尺寸小，约0．1 μm。
图3 实验14天后SEM形貌Fig．3 SEM morphology of samples after 14
days
图4 3#样品白色点状物质分析区域及结果Fig．4 The analysis and result of
white punctiform material in sample 3#
表2 3#样品白色点状物质成分Tab．2 The components of white punctiform
material in sample 3#元素 O Pd Ag质量分数 (%) 2．89 13．96 83．15原子
分数 (%) 16．71 12．11 71．18
经过28天实验，样品同样经清洗吹干后置于扫描电镜下观察，并对银晶须尺寸进
行测量。银晶须形貌见图5，图中显示1#样品银晶须继续长大，呈现块状成堆出
现且其周围晶粒上仍存在细点状的银晶须。块状银晶须上还存在细点状的萌态晶须，
说明银晶须还在继续生长发育。对成堆银晶须尺寸进行测量，其最大尺寸约为
27．7 μm;2#样品银晶须呈点状及蠕虫状，其最大尺寸约为2．14 μm;3#样品银
枝晶呈点状，其最大尺寸约1．95 μm。
2．2 结果分析
实验样品银晶须尺寸数据见表3，将该数据绘制成折线图，如图6所示。从图中可
以明显看出，当添加钯后，银晶须的生长尺寸受到了明显的抑制。
表3 样品银晶须尺寸Tab．3 The silver whisker sizes of samples样品 14天样
品尺寸(μm) 28天样品尺寸(μm)1# 10．12 27．7 2# 1．82 2．14 3# 0．1
1．95
晶须的生长包括孕育阶段、快速生长阶段、稳定生长阶段、慢速生长阶段等4个
阶段。从图6可以发现，从0～14天中，当钯含量逐渐增加，图线斜率明显减小，
即当钯含量逐渐增加时，晶须的孕育阶段及生长时间也在逐渐增长。金属晶须的形
成机理复杂，且影响因素较多，长期以来的主要观点是，内部应力为金属晶须的主
要驱动力[6]。由于在能谱分析中发现涂覆层存在较多的氧原子，涂覆层表面被氧
化形成氧化膜，导致该涂覆层存在内应力。在内应力的作用下，银晶须穿破氧化层
开始萌发，由于银具有较高的迁移率[7]，银离子逐渐迁移至萌态晶须根部堆积，
将使晶须逐步生长，如图7所示。但钯能够减缓银离子的迁移[8-9]，当添加钯后，
银离子迁移速率减慢，将减少银晶须生长所需的银离子来源，对银晶须的生长有减
缓作用。从图6可以看出，28天时间内，1#样品一直在稳定生长;2#样品在14天
后，银晶须生长速度逐渐减缓，而3#样品从14天之后才逐渐进入快速生长阶段，
故Pd对银晶须的生长具有抑制作用。
图5 实验28天后SEM形貌Fig．5 SEM morphology of samples after 28
days
图6 银晶须生长尺寸数据图Fig．6 The growth sizes data map of silver
whisker
图7 银晶须破膜生长示意图Fig．7 Sketch map of silver whisker tearing film
growth
3 结论
本文以瓷介电容器引出端金属银层为研究对象，通过合金化的方法，向银中添加不
同含量的Pd，模拟使用条件探究了低气压受热条件下14天及28天后Pd对银晶
须的影响，得到如下结论:
(1)低气压及真空条件下，银层会由于内部应力及银离子的迁移导致银晶须自发生
长。
(2)通过合金化的方法，向银中添加钯元素，能够减缓银离子的迁移速率，延长晶
须生长孕育阶段时间及其余生长阶段的速度，在一定程度上可以抑制银晶须的生长。
(3)随着银中钯元素添加量的增加，银晶须生长的孕育时间随之延长，其生长尺寸
在逐渐减小。
【相关文献】
[1]赵子寿，冼爱平.锡晶须生长机理研究的现状与问题[J].中国有色金属学报，2012，8(22):2267-
2275.
[2]Compton K G，Mendizza A，Arnold S ntary growthson metalsurfaces
whiskers[J].Crossion Science，1951，7:327-334.
[3]Arnold S growth and properties of metal whiskers[C]//Proceedings of 43rd
Annual Convention of the American Electroplater’ s Society.[S.l]:[s.n]，1956:26-31.
[4]Arnold S growth of metal whiskers on electrical components [C]//IEEE Electrical
Components ，USA:IEEE，1959:75-82.
[5]刘艳新，任博成.锡晶须及其抑制技术 [J].电子工艺技术，2009，30(5):282-286.
[6]姜东升，张沛，刘震.航天电子产品金属晶须形成机理、危害及抑制措施分析 [J].导航与控制，
2015，14(1):27-31.
[7]嵇永康，胡培荣，卫中领.银镀层中银离子的迁移现象(一)[J].电镀与涂饰，2008，27(8):18-20.
[8]徐临超.电流波形对铁电镀层结构和性能的影响 [J].电镀与涂饰，2010，29(9):5-8.
2024年6月2日发(作者：镇天禄)
合金化方法抑制银晶须生长的研究
徐强;林广;张瑞强;肖富强
【摘 要】瓷介电容器具有诸多优点而被广泛用于电子电路中,而瓷介电容器引出端
金属层会自发生长晶须,晶须的产生会造成电气短路、残屑污染、等离子体电弧放
电等问题,对电子行业产生一定风险.本文以瓷介电容器端面银层为研究对象,利用合
金化的方法,通过向银中添加一定含量的钯,经充分混合、涂覆、烘干、烧银后置于
低气压受热环境下,借助SEM、EDS等方法探究添加钯对银晶须生长的影响.结果表
明,通过向银中添加钯不能完全抑制银晶须的生长现象,但钯能够减缓银的迁移速率,
延长晶须生长孕育期,在一定程度上能够抑制银晶须的生长.
【期刊名称】《电子元件与材料》
【年(卷),期】2019(038)003
【总页数】4页(P77-80)
【关键词】合金化;钯;抑制;银晶须;生长
【作 者】徐强;林广;张瑞强;肖富强
【作者单位】成都宏明电子科大新材料有限公司,四川 成都 610100;成都宏明电子
科大新材料有限公司,四川 成都 610100;成都宏明电子科大新材料有限公司,四川
成都 610100;成都宏明电子科大新材料有限公司,四川 成都 610100
【正文语种】中 文
【中图分类】TM53
瓷介电容器由于具有体积小、容量大、等效电阻及等效电感小等诸多优点被广泛用
于各电子行业中。但瓷介电容器引出端需涂覆金属层，金属层在使用过程中可能形
成晶须。作为金属晶体，其导电性强，在电子行业尤其是微电子行业中，由于电子
元器件小型化且安装后元器件之间间隙较小，若晶须生长尺寸超过该安装间隙或晶
须在生长过程中由于外部因素而发生断裂，则可能引发微电路短路，导致设备故障。
晶须会自发生长，早在300多年前，著名科学家玻义耳(Robert Boyle)在 《化学
家的怀疑和悖论》(The Sceptical Chymist)中论述了银晶须自发生长的现象[1]。
从20世纪40年代开始，人们相继发现了镉晶须及锡晶须对电子设备的危害，并
试图改善其影响[2-3];直至1959年，Arnold等[4]发现通过合金化的方法向锡中
添加少量铅，能够有效抑制锡晶须的生长。
对于晶须的研究多集中于锡晶须，而对银晶须的报道较少且大部分偏向电镀，其厚
度仅为几微米，使用条件大多为常温常压;作为纯银引出端的瓷介电容器，经涂覆
后其银层厚度可达几十微米，使用条件较为苛刻，多为低气压受热，在使用后端面
银层中会生长如图1所示的银晶须。研究发现[1，5-6]，合金化、热处理、涂覆等
方法均可在一定程度上抑制晶须，且相关研究表明[7-8]钯元素能够减缓银离子的
迁移。
图1 银晶须形貌Fig．1 The morphology of silver whisker
本文借鉴合金化的方法，向银膏中添加钯元素，利用涂覆的方法，制备厚度较大样
品，探究在低气压受热条件下钯对银晶须的影响，以期抑制银晶须的生长。
1 实验材料及方法
本实验采用瓷介电容器为载体，分别将纯银膏以及添加5%，15%(质量分数)钯的
银膏作为涂覆材料。银膏经过充分混合后采用自制模具均匀涂覆至瓷介电容器样品
引出端面，涂覆厚度约40 μm。样品经过DZF-6020真空烘箱低温烘干2 h后采
用TF92-8-90A24型BTU烧结炉烧制样品1#、2#、3#，分组情况详见表1。为
模拟使用环境，实验选择在真空度小于6．65×10-3Pa、温度60～65℃的条件下
分别进行14天及28天。实验前用扫描电镜确定样品表面无银晶须后利用Φ360
真空浸渍设备对样品进行实验，分别待14天及28天后取出样品，经无水乙醇清
洗后，采用SU3500扫描电镜配合EDS能谱分析仪对实验后的样品进行观察分析，
确定银晶须形貌及尺寸，实验流程见图2。
表1 实验分组情况Tab．1 Group of experiments样品编号 涂覆层成分 (质量组
成)1# 100%Ag 2# 5%Pd+95%Ag 3# 15%Pd+85%Ag
图2 本文实验路线Fig．2 The experiment route of this paper
2 实验结果及分析
2．1 实验结果
经过14天的实验，取出样品并用无水乙醇清洗。将清洗并吹干的样品置于扫描电
镜进行观察，样品银端形貌如图3所示。
图中显示，1#表面存在明显的银晶须;2#、3#表面有白色颗粒状物质存在，且随钯
含量的增加白色颗粒数量及尺寸均在减小。对3#样品白色颗粒状物质进行EDS能
谱分析，结果见图4、表2。能谱结果显示，白色点状物质Ag含量高，其中还含
有O、Pd元素，由于该白色点状物质尺寸小，约0．1 μm，能谱分析范围可能超
出该白点区域，致使其中含有Pd元素，但Pd含量小于添加量，故该白点物质为
处于萌发状态的银晶须;O元素的出现说明该端面存在氧化现象。
图3中还可以发现，随着钯含量的增加，银晶须整体尺寸在逐渐减小。1#样品银
晶须呈现出成簇的块状，其尺寸大，约为10．12 μm，在块体周围晶粒上有萌态
细小晶须，晶须还在继续生长;2#样品添加质量分数5%钯，其表面存在萌态银晶
须，银晶须呈现细蠕虫状，尺寸约为1．82 μm;3#样品添加质量分数15%钯，其
表面存在点状的萌态银晶须，其分布较为分散，尺寸小，约0．1 μm。
图3 实验14天后SEM形貌Fig．3 SEM morphology of samples after 14
days
图4 3#样品白色点状物质分析区域及结果Fig．4 The analysis and result of
white punctiform material in sample 3#
表2 3#样品白色点状物质成分Tab．2 The components of white punctiform
material in sample 3#元素 O Pd Ag质量分数 (%) 2．89 13．96 83．15原子
分数 (%) 16．71 12．11 71．18
经过28天实验，样品同样经清洗吹干后置于扫描电镜下观察，并对银晶须尺寸进
行测量。银晶须形貌见图5，图中显示1#样品银晶须继续长大，呈现块状成堆出
现且其周围晶粒上仍存在细点状的银晶须。块状银晶须上还存在细点状的萌态晶须，
说明银晶须还在继续生长发育。对成堆银晶须尺寸进行测量，其最大尺寸约为
27．7 μm;2#样品银晶须呈点状及蠕虫状，其最大尺寸约为2．14 μm;3#样品银
枝晶呈点状，其最大尺寸约1．95 μm。
2．2 结果分析
实验样品银晶须尺寸数据见表3，将该数据绘制成折线图，如图6所示。从图中可
以明显看出，当添加钯后，银晶须的生长尺寸受到了明显的抑制。
表3 样品银晶须尺寸Tab．3 The silver whisker sizes of samples样品 14天样
品尺寸(μm) 28天样品尺寸(μm)1# 10．12 27．7 2# 1．82 2．14 3# 0．1
1．95
晶须的生长包括孕育阶段、快速生长阶段、稳定生长阶段、慢速生长阶段等4个
阶段。从图6可以发现，从0～14天中，当钯含量逐渐增加，图线斜率明显减小，
即当钯含量逐渐增加时，晶须的孕育阶段及生长时间也在逐渐增长。金属晶须的形
成机理复杂，且影响因素较多，长期以来的主要观点是，内部应力为金属晶须的主
要驱动力[6]。由于在能谱分析中发现涂覆层存在较多的氧原子，涂覆层表面被氧
化形成氧化膜，导致该涂覆层存在内应力。在内应力的作用下，银晶须穿破氧化层
开始萌发，由于银具有较高的迁移率[7]，银离子逐渐迁移至萌态晶须根部堆积，
将使晶须逐步生长，如图7所示。但钯能够减缓银离子的迁移[8-9]，当添加钯后，
银离子迁移速率减慢，将减少银晶须生长所需的银离子来源，对银晶须的生长有减
缓作用。从图6可以看出，28天时间内，1#样品一直在稳定生长;2#样品在14天
后，银晶须生长速度逐渐减缓，而3#样品从14天之后才逐渐进入快速生长阶段，
故Pd对银晶须的生长具有抑制作用。
图5 实验28天后SEM形貌Fig．5 SEM morphology of samples after 28
days
图6 银晶须生长尺寸数据图Fig．6 The growth sizes data map of silver
whisker
图7 银晶须破膜生长示意图Fig．7 Sketch map of silver whisker tearing film
growth
3 结论
本文以瓷介电容器引出端金属银层为研究对象，通过合金化的方法，向银中添加不
同含量的Pd，模拟使用条件探究了低气压受热条件下14天及28天后Pd对银晶
须的影响，得到如下结论:
(1)低气压及真空条件下，银层会由于内部应力及银离子的迁移导致银晶须自发生
长。
(2)通过合金化的方法，向银中添加钯元素，能够减缓银离子的迁移速率，延长晶
须生长孕育阶段时间及其余生长阶段的速度，在一定程度上可以抑制银晶须的生长。
(3)随着银中钯元素添加量的增加，银晶须生长的孕育时间随之延长，其生长尺寸
在逐渐减小。
【相关文献】
[1]赵子寿，冼爱平.锡晶须生长机理研究的现状与问题[J].中国有色金属学报，2012，8(22):2267-
2275.
[2]Compton K G，Mendizza A，Arnold S ntary growthson metalsurfaces
whiskers[J].Crossion Science，1951，7:327-334.
[3]Arnold S growth and properties of metal whiskers[C]//Proceedings of 43rd
Annual Convention of the American Electroplater’ s Society.[S.l]:[s.n]，1956:26-31.
[4]Arnold S growth of metal whiskers on electrical components [C]//IEEE Electrical
Components ，USA:IEEE，1959:75-82.
[5]刘艳新，任博成.锡晶须及其抑制技术 [J].电子工艺技术，2009，30(5):282-286.
[6]姜东升，张沛，刘震.航天电子产品金属晶须形成机理、危害及抑制措施分析 [J].导航与控制，
2015，14(1):27-31.
[7]嵇永康，胡培荣，卫中领.银镀层中银离子的迁移现象(一)[J].电镀与涂饰，2008，27(8):18-20.
[8]徐临超.电流波形对铁电镀层结构和性能的影响 [J].电镀与涂饰，2010，29(9):5-8.