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浅谈爬行腐蚀现象

导读: 不管是失效的电容、电阻还是电阻排,端子接口的位置都检测到大量硫元素的存在。对失效样品上残留的尘埃进行检测也发现S元素含量很高。因此,从现象表现和试验分析的结果看,造成故障的原因是应用环境中的硫浸蚀。

一、问题的提出

1.一批运行了相当一段时间后的用户单板中,发现其中6块单板过孔上发黑而导致工作失常,如图1所示。

图1 电容、电阻端子焊点发黑

2.一批PCBA在运行了一段时间后出现了4块因电阻排焊盘和焊点发暗而导致电路工作不正常,如图2所示。

图2 电阻排焊盘和焊点发暗

不管是失效的电容、电阻还是电阻排,端子接口的位置都检测到大量硫元素的存在。对失效样品上残留的尘埃进行检测也发现S元素含量很高。因此,从现象表现和试验分析的结果看,造成故障的原因是应用环境中的硫浸蚀。

二、爬行腐蚀的机理

爬行腐蚀发生在裸露的Cu面上。Cu面在含硫物质(单质硫、硫化氢、硫酸、有机硫化物等)的作用下会生成大量的硫化物。Cu的氧化物是不溶于水的。但是Cu的硫化物和氯化物却会溶于水,在浓度梯度的驱动下,具有很高的表面流动性。生成物会由高浓度区向低浓度区扩散。硫化物具有半导体性质,且不会造成短路的立即发生,但是随着硫化物浓度的增加,其电阻会逐渐减小并造成短路失效。

此外,该腐蚀产物的电阻值会随着温度的变化而急剧变化,可以从10MΩ下降到1Ω。湿气(水膜)会加速这种爬行腐蚀:硫化物(如硫酸、二氧化硫)溶于水会生成弱酸,弱酸会造成硫化铜的分解,迫使清洁的Cu面露出来,从而继续发生腐蚀。显然湿度的增加会加速这种爬行腐蚀。据有关资料报导,这种腐蚀发生的速度很快,有些单板甚至运行不到一年就会发生失效,如图3、图4所示。

图3 电阻排焊点的爬行腐蚀

图4 PTH过孔上的爬行腐蚀

三、爬行腐蚀的影响因素

1.大气环境因素的影响作为大气环境中促进电子设备腐蚀的元素和气体,被列举的有:SO2、NO2、H2S、O2、HCl、Cl2、NH3等,腐蚀性气体成分的室内浓度、蓄积速度、发生源、影响和容易受影响的材料及容许浓度如表1所示。上述气体一溶入水中,就容易形成腐蚀性的酸或盐。表1

2.湿度根据爬行腐蚀的溶解/扩散/沉积机理,湿度的增加应该会加速硫化腐蚀的发生。

Ping Zhao等人认为,爬行腐蚀的速率与湿度成指数关系。Craig Hillman等人在混合气体实验研究中发现,随着相对湿度的上升,腐蚀速率急剧增加,呈抛物线状。以Cu为例,当湿度从60%RH增加到80%RH时,其腐蚀速率后者为前者的3.6倍。

3.基材和镀层材料的影响

Conrad研究了黄铜、青铜、CuNi三种基材,Au/Pd/SnPb三种镀层结构下的腐蚀速率,实验气氛为干/湿硫化氢。结果发现:基材中黄铜抗爬行腐蚀能力最好,CuNi最差;表面处理中SnPb是最不容易腐蚀的,Au、Pd表面上腐蚀产物爬行距离最长。

Alcatel-Lucent、Dell、Rockwell Automation等公司研究了不同表面处理单板抗爬行腐蚀能力,认为HASL、Im-Sn抗腐蚀能力最好,OSP、ENIG适中,Im-Ag最差。Alcatel-Lucent认为各表面处理抗腐蚀能力排序如下:ImSn~HASL5ENIG>OSP>ImAg化学银本身并不会造成爬行腐蚀。但爬行腐蚀在化学银表面处理中发生的概率却更高,这是因为化学银的PCB露Cu或表面微孔更为严重,露出来的Cu被腐蚀的概率比较高。

4.焊盘定义的影响

Dell的Randy研究认为,当焊盘为阻焊掩膜定义(SMD)时,由于绿油侧蚀存在,PCB露铜会较为严重,因而更容易腐蚀。采用非阻焊掩膜(NSMD)定义方式时,可有效提高焊盘的抗腐蚀能力。

5.单板组装的影响。

① 再流焊接:再流的热冲击会造成绿油局部产生微小剥离,或某些表面处理的破坏(如OSP),使电子产品露铜更严重,爬行腐蚀风险增加。由于无铅再流温度更高,故此问题尤其值得关注。

② 波峰焊接:据报导,在某爬行腐蚀失效的案例中,腐蚀点均发生在夹具波峰焊的阴影区域周围,因此认为助焊剂残留对爬行腐蚀有加速作用。其可能的原因是:●助焊剂残留比较容易吸潮,造成局部相对湿度增加,反应速率加快;●助焊剂中含有大量污染离子,酸性的H+还可以分解铜的氧化物,因此也会对腐蚀有一定的加速作用。四、对爬行腐蚀的防护措施随着全球工业化的发展,大气将进一步恶化,爬行腐蚀将越来越受到电子产品业界的普遍关注。

归纳对爬行腐蚀的防护措施主要有:(1)采用三防涂敷无疑是防止PCBA腐蚀的最有效措施;(2)设计和工艺上要减小PCB、元器件露铜的概率;(3)组装过程要尽力减少热冲击及污染离子残留;(4)整机设计要加强温、湿度的控制;(5)机房选址应避开明显的硫污染。五、爬行腐蚀、离子迁移枝晶及CAF等的异同马里兰大学较早研究了翼型引脚器件上的爬行腐蚀,并对腐蚀机理进行了初步的探讨。与离子迁移枝晶、CAF类似,爬行腐蚀也是一个传质的过程,但三者发生的场景、生成的产物及导致的失效模式并不完全相同,具体对比如表2所示。表2

根据樊融融编著的现代电子装联工艺可靠性改编

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