01 前言
随着电子产品高速发展及环境变化,对电子产品的可靠性越来越高,其中腐蚀性缺陷尤为突出,其影响因子涉及到生产管理全过程,及时发现难度增加,往使用一段时间才发现,造成重大成本损失及安全问题,故腐蚀机理了解,从源头分析改善尤为重要。
02 腐蚀常见类型
03 各类型腐蚀机理 一、爬行腐蚀机理
爬行腐蚀是属于硫化腐蚀 (Sulfur Corrosion) 其中一种的失效机理,典型的案例可由印刷电路板 (Print Circuit Board; PCB,参见图一) 与导线架封装 (Leadframe Packages,参见图二) 组件最为常见。由于裸露的金属铜接触到环境中硫化物的腐蚀性气体进行反应生成硫化亚铜 (Cu2S) 的腐蚀产物,其固体腐蚀物沿着电路与阻焊层/封装材料表面迁移生长的过程,导致相邻焊盘和电路间的电气短路失效现象,我们称之为爬行腐蚀的失效模式。
图一:印刷电路的爬行腐蚀
(图来源: Barry Hindin, Ph.D, Battelle Columbus Operations)
图二:导线架封装组件的爬行腐蚀 (受限于导线架镀层与封装材料气密性) (图来源: Dr. P. Zhao, University of Maryland)
>>爬行腐蚀机理 1. 爬行腐蚀发生在裸露的铜上。由于PCB表面处理本身存在微孔,或在水膜、污染物的作用下表面处理发生破损,铜面在含硫物质(资料表明,单质硫、硫化氢、有机硫化物、硫醇等均会与铜反应生成硫化亚铜)的作用下,生成大量硫化物。 2. 铜的氧化物是不会运动的,但铜的硫化物和氯化物却大不相同。由于二者可溶于水,在浓度梯度的驱动下,具有很高的表面扩散性,生成物会由高浓度区向低浓度区扩散。 3. 硫化产物具有半导体性质,不会造成短路的立即发生;但随着其厚度的增加,其电阻减小并造成短路。此外,该腐蚀产物的电阻随湿度的变化急剧变化,可从10M下降到1欧姆。 4. 湿度对爬行腐蚀的影响是显而易见的。只需50%(一说为65%)的湿度,PCB表面就会形成水膜;硫化物(如硫化氢、二氧化硫)溶于水后生成弱酸,造成氧化铜分解,迫使清洁的铜面露出,从而继续腐蚀。其中硫化亚铜的生成与湿度呈指数关系。在此环境下,铜会腐蚀得更快。 >>环境含硫量标准及检测方法 推荐在硫化氢浓度月平均不超过0.10mg/m3运行设备。 环境硫含量标准 1. 推荐设备运行环境:硫化氢浓度月平均不超过0.10mg/m3。 2. 业界针对电子产品运行环境的要求大同小异,一般硫化氢含量不超过5ppb。 硫含量检测方法 1. 挂铜片分析(推荐:成本低、但周期长、精度低) 根据ISAS71.04-1985标准,对机房当前环境腐蚀气体含量进行定性评估,预计悬挂1个月以后可得出当前环境检测结果。 >>硫化腐蚀原因 介绍硫化腐蚀的原因。主要体现在以下几个方面。 · 产品的装饰材料含硫过大,挥发导致设备腐蚀。 · 产品放置区域与水源相邻,如下水道直接相通。包括场地地板下有通道与下水道相通或空调进风口在下水道附近。 · 其它含硫设备同一房间内,例如蓄电池漏液导致设备腐蚀。 · 外部环境中硫含硫过大,如大型矿场、化工厂、生活垃圾处理厂等。 二、离子迁移枝晶机理
按IPC-9201 (表面绝缘电阻手册)的说法,是当完成电路板或组装板,长久高温高湿之恶劣环境中,且其相邻导体间会出现偏压(Bias)的情况下,会逐渐发生金属离子性物体的迁移,并在板面上出现树枝盐类生长的痕迹者 (Dendrites),称为ECM;
>>典型的电化学迁移模型
>>离子迁移原因 1.材料的吸水性高或水中不纯物质。 2.离子污染,主要来自于PCB(如蚀刻、电镀、化学镀和阻焊层等工序)、元器件封装材料、助焊剂、设备油污、人员指印及环境灰尘等,表现为各种无机酸、无机盐及有机酸等,需极性溶剂进行清除(如水或醇类)。离子污染物分子具有偏心的电子分布,容易吸潮,在空气中二氧化碳作用下产生正、负离子,导致产品腐蚀,引起表面绝缘电阻下降,在有电场存在的条件下还会发生电迁移,产生枝状结晶,导致漏电和短路。极性污染物的低表面能还可使其穿透阻焊层,在板表层下生长枝晶。当然,极性污染物也可是非离子的,在偏置电压、高温或其他应力存在时,各种负电性分子就自行排成行形成电流。
三、CAF机理
Conductive Anodic Filament (CAF)全称为导电性阳极丝:在IPC-9691 Users Guide for the IPC-TM-650, Method 2.6.25中定义是PCB内部铜离子从阳极(高电压)沿着玻纤丝间的微裂通道,向阴极(低电压)迁移过程中发生的铜与铜盐的漏电行为。
IPC-TM-650, 方法 2.6.25 耐 CAF(导电阳极丝)测试: X-Y 轴中,CAF是印制电路板 (PWB)中电化学迁移的一种现象。 >>CAF机理
>>CAF原因