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問題的提出

 

先來看兩個失效案例：

 

1. 一批運行了相當(dāng)一段時間后的用戶單板中，發(fā)現(xiàn)其中6塊單板過孔上發(fā)黑而導(dǎo)致工作失常，如圖1所示。

圖1 電容、電阻端子焊點發(fā)黑

 

2. 一批PCBA在運行了一段時間后出現(xiàn)了4塊因電阻排焊盤和焊點發(fā)暗而導(dǎo)致電路工作不正常，如圖2所示。

圖2 電阻排焊盤和焊點發(fā)暗

不管是失效的電容、電阻還是電阻排，端子接口的位置都檢測到大量硫元素的存在。對失效樣品上殘留的塵埃進行檢測也發(fā)現(xiàn)硫元素含量很高。因此，從現(xiàn)象表現(xiàn)和試驗分析的結(jié)果看，造成故障的原因是應(yīng)用環(huán)境中的硫浸蝕。

 

爬行腐蝕的機理

 

爬行腐蝕發(fā)生在裸露的銅表面上。銅表面在含硫物質(zhì)（單質(zhì)硫、硫化氫、硫酸、有機硫化物等）的作用下會生成大量的硫化物。

銅的氧化物是不溶于水的。但是銅的硫化物和氯化物卻會溶于水，在濃度梯度的驅(qū)動下，具有很高的表面流動性。生成物會由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散。硫化物具有半導(dǎo)體性質(zhì)，且不會造成短路的立即發(fā)生，但是隨著硫化物濃度的增加，其電阻會逐漸減小并造成短路失效。

此外，該腐蝕產(chǎn)物的電阻值會隨著溫度的變化而急劇變化，可以從10MΩ下降到1Ω。濕氣（水膜）會加速這種爬行腐蝕：硫化物（如硫酸、二氧化硫）溶于水會生成弱酸，弱酸會造成硫化銅的分解，迫使清潔的銅面露出來，從而繼續(xù)發(fā)生腐蝕。顯然濕度的增加會加速這種爬行腐蝕。據(jù)有關(guān)資料報道，這種腐蝕發(fā)生的速度很快，有些單板甚至運行不到一年就會發(fā)生失效，如圖3、圖4所示。

圖3 電阻排焊點的爬行腐蝕

圖4 PTH過孔上的爬行腐蝕

 

爬行腐蝕的影響因素

 

1. 大氣環(huán)境因素的影響

 

作為大氣環(huán)境中促進電子設(shè)備腐蝕的元素和氣體，被列舉的有SO2、NO2、H2S、O2、HCl、Cl2、NH3等，腐蝕性氣體成分的室內(nèi)濃度、蓄積速度、發(fā)生源、影響和容易受影響的材料及容許濃度如表1所示。上述氣體一溶入水中，就容易形成腐蝕性的酸或鹽。

表1

 

2. 濕度

根據(jù)爬行腐蝕的溶解/擴散/沉積機理，濕度的增加應(yīng)該會加速硫化腐蝕的發(fā)生。Ping Zhao等人認(rèn)為，爬行腐蝕的速率與濕度成指數(shù)關(guān)系。Craig Hillman等人在混合氣體實驗研究中發(fā)現(xiàn)，隨著相對濕度的上升，腐蝕速率急劇增加，呈拋物線狀。以Cu為例，當(dāng)濕度從60%RH增加到80%RH時，其腐蝕速率后者為前者的3.6倍。

 

3. 基材和鍍層材料的影響

Conrad研究了黃銅、青銅、CuNi三種基材，Au/Pd/SnPb三種鍍層結(jié)構(gòu)下的腐蝕速率，實驗氣氛為干/濕硫化氫。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：基材中黃銅抗爬行腐蝕能力最好，CuNi最差；表面處理中SnPb是最不容易腐蝕的，Au、Pd表面上腐蝕產(chǎn)物爬行距離最長。

 

Alcatel-Lucent、Dell、Rockwell Automation等公司研究了不同表面處理單板抗爬行腐蝕能力，認(rèn)為HASL、Im-Sn抗腐蝕能力最好，OSP、ENIG適中，Im-Ag最差。

 

Alcatel-Lucent認(rèn)為各表面處理抗腐蝕能力排序如下：

ImSn～HASL5ENIG＞OSP＞ImAg

化學(xué)銀本身并不會造成爬行腐蝕。但爬行腐蝕在化學(xué)銀表面處理中發(fā)生的概率卻更高，這是因為化學(xué)銀的PCB露銅或表面微孔更為嚴(yán)重，露出來的銅被腐蝕的概率比較高。

 

4. 焊盤定義的影響

Dell的Randy研究認(rèn)為，當(dāng)焊盤為阻焊掩膜定義（SMD）時，由于綠油側(cè)蝕存在，PCB露銅會較為嚴(yán)重，因而更容易腐蝕。采用非阻焊掩膜（NSMD）定義方式時，可有效提高焊盤的抗腐蝕能力。

 

5. 單板組裝的影響

① 再流焊接：再流的熱沖擊會造成綠油局部產(chǎn)生微小剝離，或某些表面處理的破壞（如OSP），使電子產(chǎn)品露銅更嚴(yán)重，爬行腐蝕風(fēng)險增加。由于無鉛再流溫度更高，故此問題尤其值得關(guān)注。

② 波峰焊接：據(jù)報道，在某爬行腐蝕失效的案例中，腐蝕點均發(fā)生在夾具波峰焊的陰影區(qū)域周圍，因此認(rèn)為助焊劑殘留對爬行腐蝕有加速作用。其可能的原因是：

●助焊劑殘留比較容易吸潮，造成局部相對濕度增加，反應(yīng)速率加快；

●助焊劑中含有大量污染離子，酸性的H+還可以分解銅的氧化物，因此也會對腐蝕有一定的加速作用。

 

對爬行腐蝕的防護措施

 

隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，大氣將進一步惡化，爬行腐蝕將越來越受到電子產(chǎn)品業(yè)界的普遍關(guān)注。歸納對爬行腐蝕的防護措施主要有：

 

（1）采用三防涂敷無疑是防止PCBA腐蝕的最有效措施；

（2）設(shè)計和工藝上要減小PCB、元器件露銅的概率；

（3）組裝過程要盡力減少熱沖擊及污染離子殘留；

（4）整機設(shè)計要加強溫、濕度的控制；

（5）機房選址應(yīng)避開明顯的硫污染。

 

爬行腐蝕、離子遷移枝晶及CAF等的異同

 

馬里蘭大學(xué)較早研究了翼型引腳器件上的爬行腐蝕，并對腐蝕機理進行了初步的探討。與離子遷移枝晶、CAF類似，爬行腐蝕也是一個傳質(zhì)的過程，但三者發(fā)生的場景、生成的產(chǎn)物及導(dǎo)致的失效模式并不完全相同，具體對比如表2所示。

表2

爬行腐蝕的現(xiàn)象明確，只要我們提高對產(chǎn)品質(zhì)量的重視程度，采取適當(dāng)?shù)拇胧┦峭耆梢员苊獾?。從這個意義上可以說爬行腐蝕是低質(zhì)偽劣電子產(chǎn)品的特征。