IPC CH-65B CHINESE.pdf - 第87页

平坦的板表面比如铜上敷 OSP 和镍金（电镀镍 / 浸金）是有有效期的。 19 由于这些原因，浸银表面处理在电子工业中成为了标准的 PCB 表面处理。随着 PCB 表面处理改为浸银，与硫污染物含量相关的 PCB 失效增加了。增加的失效率源于铜、银和硫反应。事实上，由于在浸银电路板上有区域比如过孔 …

当在有限空间互联数量增加时，助焊剂残留能使导体桥接。助焊剂残留的导体桥接为离子的持续运

动创造了一条路径，这些离子是由于导体电子和扩散金属原子之间的动量的转移形成的。

呈现在助

焊剂残留中的金属粒子在器件加电时能通过助焊剂残留传播。加热能加速传播。

当电子和集成电路结构尺寸减少时，电迁移的风险增加。

电迁移能导致一个或者多个连接的最终断

开和间断性失效。随着小型化出现，电路电源和电流密度在增加，失效的可能性也在增加。为了解

决这个问题，封装者除去了在片式器件底部和其它集成电路封装上的助焊剂残留。

7.5 蠕变腐蚀在环境中含非正常水平的硫或者其它污染的气体时，PCB板蠕变腐蚀呈现增加的现

象。硫元素被职业健康限制列为一个有害粉尘，在工

作环境中允许以百万分之（ppm）水平存在。硫

以PPM水平可以在2个月内使计算机系统失效。平整的板面，例如浸银和铜上敷OSP，尤其容易受到

这类腐蚀。

蠕变腐蚀不需要有电势发生，是不同于电化学迁移的。

蠕变腐蚀能发生在任何表面处理上。和电化学迁移类似，蠕变腐蚀需要污染源和湿度。

蠕变不同于

ECM，这种腐蚀不需要电磁场，但只要有空气污染时就会发生，尤其有硫存在时。如果一个电路板

被暴露在含丰富的硫污染物潮湿的环境中，蠕变腐蚀就会产生。

空气污染物中的硫和银、铜发生反

应变成银和铜的硫化物。这些污染物在各个方向均等地生长。

蠕变腐蚀能使很细的电路线开路，同时当腐蚀蠕变穿过导体时也会产生电气短路。

当空气污染物增

加、电路保护减少和微型化三个因素交叉作用时，腐蚀失效率会增加。这个问题的严重性因材料的

低强度和更多的相互作用机会而产生。在这个极端腐蚀机理下，表面处理被腐蚀。腐蚀的离子形成

铜盐。电解水能带着导电盐穿过导体。随着热的产生，干电解质留下一个结晶盐。如果更多的湿度

会接触到电路，这样的循环往复，

就形成了结晶沉积环。

7.5.1 蠕变腐蚀和微型化电路板外形尺寸的减小和元器件的微型化提高了硬件性能却增加了腐蚀

的风险。在离子成分中空气污染是普遍比较高的，例如氯盐。

由于IT数据中心的硬件失效，对蠕变腐蚀的关注在增加。由于晶体管尺寸的减小和完成指定任务的

所需要传输的电信号距离变小，计算机性能改进变得可能。

封装体密度的增加与电子元器件微型化

的结合，在硬件可靠性方面增加了不利影响的风险。由于：

• 增加每单位体积的热负荷，就要求增加空气流量以维持硬件在可接受温度范围内。

• 增加的空气流量使电子暴露到空气污染物中。

•高密度封装并不总是允许元器件密封不透气。

•降低印制电路板间的间距，增加

了离子迁移的可能性。

• 元器件外形接近腐蚀产品尺寸，更容易给腐蚀带来副作用。

蠕变腐蚀失效经常发生在工业控制电子和航天领域，这些领域周围空气含高含量的污染物气体。当

在设计电子组装产品时，了解终端用户环境是很关键的。

7.5.2 蠕变腐蚀和PCB表⾯处理印制电路板表面有导电层，比较典型的是由薄的铜箔制成。铜是

一种比较活跃的金属，很容易在大气环境下氧化。

传统的被暴露在PCB表面的铜用热风整平

（HASL）工艺镀上锡铅。限制和减少铅的使用，减少了HASL的使用。

当今，由于平坦的板面使用的增加，蠕变腐蚀越来越普遍。热风整平板面的锡铅保护着底层的铜免

于暴露在大气条件下。过渡到无铅焊接、低外形元器件、制造缺陷和微型化都需要有平坦的表面。

如果合金焊点对表面金属浸润差，铜被暴露。热管理中增加的热空气流

动增加了蠕变的风险。恶劣

的环境下，有湿气存在的地方就会增加蠕变腐蚀的风险。在数据中心冷却空气也是一个有影响的因

素。

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平坦的板表面比如铜上敷OSP和镍金（电镀镍/浸金）是有有效期的。

由于这些原因，浸银表面处

理在电子工业中成为了标准的PCB表面处理。随着PCB表面处理改为浸银，与硫污染物含量相关的

PCB失效增加了。增加的失效率源于铜、银和硫反应。事实上，由于在浸银电路板上有区域比如过

孔里面含有暴露的铜和银，这个问题进一步复杂了。

当过孔没有完全被沉浸的银覆盖，金属铜是脆

弱的，易受到大气的影响作用而导致电化学腐蚀。

当一种金属比如铜上覆盖了一些惰性金属，比如银，电化学腐蚀在合适的电解液下能发生。当有湿

气存在时，电化学电池造成金属减少。当铜和银之间发生电化学反应时，由于铜是比较活跃的金

属，电解池铜将为阳极。在含硫的氧化环境中，铜比银腐蚀快得多。这个高腐蚀率的环境包含有很

强导电力的金属生长。

在很多情形下，铜层都需要被保护，尤其当使用浸银表面处理时，铜层更需要被保护。

首先是锡-

铜表面。在这个区域，铜不与银交换，但在潮湿和空气污染的环境中，暴露的铜能与银反应导致锡

表面腐蚀。第二个铜的来源是镀银的孔洞里。当热循环时，铜能迁移到银的表面，薄的锡层也能导

致铜暴露，尤其是组装后。另外一个铜的来源包括部分在阻焊膜中堵塞的过孔和裂缝。暴露的铜变

成随时引发反

应的物质。

由于银的射频传播特性，浸银经常是一种高频应用材料的选择。

7.5.3 蠕变腐蚀和电路板清洁度最终印制电路板需要清洁。离子物质能直接腐蚀导线，或者离子

与潮气、助焊剂或者其它物质结合导致腐蚀。

Xu和Fleming（2009）调查过助焊剂残留对蠕变腐蚀

的影响。当铜过孔被无铅的焊锡完全盖住时，没有证据显示蠕变腐蚀。在组件上暴露的银，超过时

间就会有严重的腐蚀发生，但这个腐蚀并不被认为是蠕变腐蚀。在边界处银被暴露在助焊剂残留

中，就会产生严重的蠕变腐蚀。助焊剂残留暴露在银边界区域促进了银腐蚀迁移到阻焊膜表面。

Xu和Fleming报道当活性助焊剂在

焊接后没有被清洗时，蠕变腐蚀会在5天内产生。松香助焊剂仅显

示有局部腐蚀。问题在于活性助焊剂去除氧化铜而在助焊剂残留中留下了铜盐。在潮湿环境中腐蚀

从电路生长和蔓延到阻焊膜。这种失效也发生在有硫存在的工业区。

正确的操作、装运和存储步骤是非常重要的。

手印传递多种污染，包括氯。包装材料应该证明是

“无硫”的。一旦打开去组装，没被用过的PCB如果要延长储存时间则需要返回到原包装并真空密

封。

印制电路板储存地点对于硫诱发锈蚀是很关键的，尤其银或者高银处理的印制电路板。印制电路板

储存在经常供应蛋类制品的餐厅旁，经常导致硫产生的锈蚀。在一个洋葱加工厂就有发生工业控制

电子装置发生严重的腐蚀，因为洋葱含有大量的硫。

7.5.4 有硫蠕变倾向的场所硫存在于原材料中，包括生产油、煤炭和含常见的金属如铝、铜、

锌、

铅和铁的矿石。

当含硫的燃料燃烧时，或者当从石油中提取汽油时，或者从矿石中提取金属时就会

形成二氧化硫气体。大约有三分之一的污染颗粒中含有硫的化合物。

硫的来源包括用于水处理的硫化氢、沼泽气体、化肥、地热、农业、汽车排气和冶炼。在煤炭和石

油燃烧时，水泥生产和其它重工业经常发现二氧化硫。硫醇用于橡胶制造。有机硫化物存在于泥土

中。在橡胶、采矿、冶炼、水泥、沥青、造纸厂、化肥和农场，废水处理、石油化工、泥土以及座

落在环境中硫含量

高的公司，存在硫蠕变倾向。

天然气燃烧的副产品是硫的气体，而且天然气驱动

的叉车也经常排放硫的气体。

7.5.5 预防腐蚀的策略预防腐蚀能从三个步骤中观察到：强化、补救、再布置。进行PCB板级的

保护，比如改善表面处理。在元器件组装中，敷形涂覆或者所有外形被锡全部覆盖是有效的。对包

装产品的保护包括过滤的使用和器件的密封。非常困难的环境能通过过滤

、空调、湿度控制和综合

室内管理来改善。

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7.6 锡须和电路板清洁度无铅锡须是备受关注的领域。大量的调查研究了包括晶须形成的化学和

物理的参数特性。锡合金暴露于高的温度和湿度时，在低密度水平形成一个薄的锡氧化膜。

低密度

和锡氧化层量的增加引起沉积颗粒边界外部压力增加，使内部压力上升。锡须的生长减轻了锡内部

压力。值得注意的是，这些锡须能使导线间有连桥造成短路。

研究人员发现当大量锡暴露在离子污染环境时，锡须从大块锡中长出。

23，24，25，26

作为一个基于焊

锡合金形成的实例，当暴露的铜突然与在相邻的锡里接触时，腐蚀作用显著加速。

最大可能生长晶

须发生在焊锡合金的底部，在这里有最大浓度的助焊剂残留物。

锡须和小丘状的锡穿过助焊剂残留

伸出并且长到了140μm。腐蚀通过在内部锡树枝状空间的共晶区域传播。在大块锡中扩散耗尽了锡银

铜合金中的银和铜。耗尽了锡的区域或许经历着来自剩余锡的压力。铜基下面和锡基合金之间为晶

须的生长创造了条件。

在再流焊接期间，当锡合金凝固时，锡膏中的助焊剂流出。含大量氯离子和溴离子的助焊剂残留物

产生了晶须，而低污染区域没有晶须生长。

为了更好地理解这一影响，Snugovsky et al.设计了一个

实验来测试污染物对锡须形成的影响。这个实验评估了接收态元器件、清洗后的元器件、被氯化钠

和硫酸钠的溶液污染的元器件。元器件暴露在温度85° C[185° F]/85%相对湿度条件500小时。结果接

收态元器件有短的晶须；清洗后元器件没有晶须；被污染的元器件有长的晶须。第二部分测试组件用

SAC305组装到测试基板上。组装后被清洗的元器件就没有晶须，而接收后和没

清洗就使用的就会形

成短的晶须。故意污染的元器件会导致长的晶须。作者总结认为，干净元器件的使用和组装后清洗

明显降低了在无铅组装中晶须形成的倾向。

Hillman（2010）报道关于评估由氯污染物引发的潜在锡须生长的研究。在有应力的铜基板上电镀锡

的样品在三个不同氯溶液中放置72小时，接着在高温、高湿条件处理。样品1被浸入一个饱和的氯化

钠溶液中，样品2被浸入在半饱和的氯化钠溶液中，样品3浸入到0.001M的盐酸溶液中。测试样品被

放在85° C[185° F]85%的相对湿度的温循箱中。在五个指定的位置

用电子扫描显微镜检查。数据结果

发现晶须受离子污染水平影响，高离子水平导致很大的晶须密度。

研究发现了晶须的影响范围和离子污染程度及腐蚀之间的关系。热、湿度和离子污染导致腐蚀和应

力。第二个影响是助焊剂残留量及分布。

7.7 海洋腐蚀另一种能显著降低的电子组装产品的生命周期大气污染物就是暴露在含盐的空气

中。盐水含高含量的氯（来自氯化钠和氯化钾）。含盐空气对于很多没有保护的金属表面有严重的腐

蚀性。电子产品进入海洋环境（例如

海岸警卫直升机）应该密封或者进行涂敷。

对于其它粒子对电子电路化学残留的影响，Pauls and Munson出版的Process Rx column of Circuits

Assembly从1997年到2000年的月刊杂志里有案例研究。参考Pauls和Munson的其它文献[29]到[34]或

许也是有用的。

参考⽂献

1. Minzari, D., Jellesen, M.S., Moller, P., Wahlberg, P., & Ambat, R. (2009, September). Electrochemical

Migration on Electronic Chip Resistors in Chloride Environments. IEEE Transactions on Device and

Materials Reliability.9(3), 392-402.

2. Azarian, M.H. (2010, Feb.). Electrochemical Migration in Printed Circuit Board Assemblies. Telecom and

Webex. CALCE EPSC, University of Maryland. College Park, MD, 20742.

3. Bumiller, E., and Hillman, C. (2010). A Review of Models for Time-to-Failure Due to Metallic Migra-

tion Mechanisms. DfR Solutions. College Park, Maryland, 20742.

4. He, X., Azarian, M.H., Pecht, M.G. Effects of Solder Mask on Electrochemical Migration of Tin-Lead and

Lead-Free Boards. University of Maryland, College Park, MD, 20742.

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