IPC CH-65B CHINESE.pdf - 第85页
7.4.1.6 焊料合 ⾦ 的影响： 锡铅 与 锡 银铜 焊 料合 金 和 焊接过 程代表 两 个相 互 作 用的 因素 ， 决 定 了 ECM 的 敏 感性。 锡 铅焊接 的 PCB 可 靠 性 比锡 银铜 焊接 的 PCB 好 。用 锡 铅 进 行再 流 焊接 的 PCB 表面 绝 缘 电 阻 通 常 显 示 随 着 表面 绝缘 电 阻 的 增 加 而 逐 渐 稳 定 的 趋势 。相 反 ，用 锡 银铜 焊 料 进 行再 流 焊接 …
7.4.1.4 密度和间距 在电化学迁移过程中，导线间距将影响离子的迁移和潜伏时间。
1
迁移发生在板
表面电解液层中的金属从阳极到阴极的运动过程中。当导线间距更大时，离子就需要更长的移动时
间，这样就会延长至失效的时间。大的间距也导致了离子之间更低的静电力，从而降低了离子迁移
的驱动力。小的间距增加了助焊剂残留或者表面污染充分桥接的可能性。大多数电极间隙能吸收潮
气，形成ECM需要的持续电解液媒介。高密度板的设计增
加了ECM的风险，必须通过选择适当的其
它设计和工艺来减轻风险。
4
电流密度是腐蚀率主要关注的。
1
电压和导线间距对ECM至失效的时间上发挥了重要的影响。施加的
电压是直接关系到离子迁移的动力。导体间距也影响离子迁移的动力，同时也决定了为了达到阴极
和形成树枝状结晶必须穿过的离子的距离。间距也影响路径的形成。在很多情况下它也能是ECM的
速率限制步骤。应用的更高电压和更小的间距使留在PCB表面的组装残留中成了更大的关注焦
点。
1
各种级别的微型化为组装残留在PCB两点间形成导电池打开了通道。
1
过去的10年（2000-2010）中，
电子零件尺寸已经减小超过了70%。对于细间距芯片IC等，导线间更近的间距使微型化程度达到90%。
越来越近的间距增加了电磁场（E= v/d，这里E是电磁场，V是电压，d是终端距离）。在离子污染和
潮湿情况下电磁场促进了腐蚀电池的形成。静电力是与离子放电和施加
的电压成正比。
1
在持续电压下，导体间电磁场上升与导体间距成反比，增加了潜在的失效可能性。电压偏压直接与加
在电磁场内放电金属离子上的力成正比。
9
加在放电粒子上的力可能会影响离子穿过电解液的时间。
由于线电压不减少，这些因素比以前的成熟技术对高电磁场有更重要的影响。
9
问题是当前的印制电路板的导线间距趋势小到48μm（1.92mil）。
9
一般的电压能接近5V，产生一个电
磁场接近2.5V/mil。 这个接近1.5倍最大电磁场测试值。当电磁场从0.4 V/mil 增加到1.6 V/mil时，树
枝状结晶物的出现几率就增加了。从根本上说，这可能是由于加在带电粒子上的力与电磁场成正
比。当电磁场增加时，金属离子上的力也增加。
9
Bumiller等人（2010）报道的树枝状生长ECM数据研究结果，涵盖了板子上所有污染水平范围，包括
0μg/in
2
氯离子。在低氯离子污染水平（“0”和2μg/in
2
）时，6.25mil梳形结构间距处发现有树枝状生
长，在12.5mil梳形结构间距处少见树枝状生长，在25mil梳形间距处也罕见。在5μg/in
2
到20μg/in
2
氯离
子中，在6.25mil和12.5mil梳形结构间距处都发现了树枝状生长。在50μg/in
2
氯离子中，6.25mil、12.5
mil和25mil梳形间距的树枝状生长几乎没有差异。
根据上述结论，在低于之前考虑的污染水平下，2.5V/mil的电场将会出现ECM的问题。
9
污染水平为
“0”μg/in
2
的板，污染物含量低于现行推荐的溴污染物标准，在一个1.6V/mil的电场强度中显示出了
ECM。众所周知，氯比溴更活跃，随着间距不断地减小，清洁度要求必须更加严格。
9
由于电磁场的
影响，随着间距的减小，对于给定的污染水平，ECM的可能性将增加。
9
7.4.1.5 卤化物离⼦ 卤化物离子在金属离子的溶解时作为催化剂，氯离子具有最强的效果。
9
产生
腐蚀必须的最低标准是不确定的，有几个资料推荐用氯离子从2μg/in
2
到10μg/in
2
的污染限制范围（尚
无标准）来标明。溴离子也被认为是有问题的，但也曾被报道的一个推荐的限制范围是从15μg/in
2
到
20μg/in
2
。
溶液中氯离子的存在很容易溶解金属离子，为迁移所必需。许多场合的失效都显示了在元器件上氯
化物污染迹象。这些在PCB上的污染来自于含卤素助焊剂的使用、人员的操作或者维修环境。由于
结合效果，材料组成、电极层表面形态和组装清洁在控制迁移方面扮演重要的角色。
在较低的污染水平下，少量金属被溶解。由于金属离子水平少，金属离子上的力被电磁场驱动。电
磁场矢
量有一个朝向导体表面上任意变形的方向。表面混乱和其它缺陷能引起局部集中的电磁场。
在缺陷区域的电磁场会更高，驱使金属离子到这个缺陷处并形成树枝状生长。
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7.4.1.6 焊料合⾦的影响：锡铅与锡银铜 焊料合金和焊接过程代表两个相互作用的因素，决定了
ECM的敏感性。锡铅焊接的PCB可靠性比锡银铜焊接的PCB好。用锡铅进行再流焊接的PCB表面绝
缘电阻通常显示随着表面绝缘电阻的增加而逐渐稳定的趋势。相反，用锡银铜焊料进行再流焊接的
PCB显示了随着表面绝缘电阻的稳定或者增加
而持续下降的趋势。
7.4.1.7 阻焊膜的影响 阻焊膜是一个薄的、耐热的聚合物层，通常用于PCB在焊接过程限制可浸湿
的区域。
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它阻止焊锡沉积到非期望的区域例如铜金属化线条之间的区域。然而，阻焊膜需要正确地
处理和清洗，因为阻焊膜本身含有离子残留。阻焊膜控制外层阻抗而且保护PCB在焊接过程中免受
损坏。有阻焊膜的板可以保护内层铜线并且帮助阻止线间离子迁移。阻焊膜材料改善化学的、热的
和潮湿的抵抗。当没有阻焊膜时，助焊剂有力地粘在铜线边缘，减少了非导电
间距。随着导线间距
的减小，助焊剂中的弱有机酸，例如脂肪酸和己二酸，由于它们的结晶特性是更有可能建立一个持
续的导电泄露路径。
不正确地固化阻焊膜被发现有助于加重电化学失效，尤其对免清洗组装制造工艺过程。阻焊膜固化
不完全，是很难被察觉的，是相对多孔而且会吸收后续工序化学物质进入和掩膜接触[参考
29
]。化学
过程包括阻焊膜蚀刻和溶剂显影、最终表面化学电镀处理和助焊剂。阻焊膜固化不充分也能吸收
OEM组装过程中的化学物质。被吸收到阻焊膜的残留是很难以一种成本有效的方法去除。对于裸板
供应商监测用于固化阻焊膜的紫外线辐射力是很关键的。
如果电路组件的离子检测显示出高水平的铵或者钾，则说明在阻焊膜成像和显影时，要么阻焊膜固
化有问题
，要么是有非常差的冲洗问题。阻焊膜显影的化学过程经常以铵和钾盐为基础的。另外一
个迹象表明阻焊膜固化不充分的是萃取阻焊膜的色素进入到离子检测萃取液中。着色的颜料从正确
的固化的阻焊膜中不应该是可萃取的。
阻焊膜不充分固化问题对很多3级OEM来说是很关键的，因为当已经投入大量的时间和
金钱在组装上
时，它很难在产品最终老化测试前被察觉到。已经吸收的残留通过溶剂电阻率测试是检测不到的，
除非是显而易见的情况下。即使是更严格的光谱分析或许也找不到这个问题。Paul
29
的一个案例研究
化学过程被吸收进阻焊膜，然后在热风焊接过程中被“密封”。传统的离子污染测试方法没发现这个
情况。当组件进入再流焊接过程时，使阻焊膜在玻璃转化（T
g
）温度之上，污染物被自由地释放到
膜外，导致大量的电化学失效。
一个用于测试残留吸收的方法是使用“加热控制”。如果电路板被暴露在OEM再流焊接过程，但上
面没有元器件而且也没有暴露在过程化学品中，热控制的离子测试能与非热控制的离子测试对比。
这种检测最好的是用离子色谱分析法。如果在热和非热的样品之间仅有很小的差别，那么吸收材料
风险更低。如果残留里的差异是明显的，那么或许有阻焊膜固化问题并且应该考虑裸板问题。
7.4.1.8 控制ECM 控制EMC的主要方法是通过积极控制板级的清洁度，尤其是卤化物，例如溴化
物和氯化物。敷形涂覆广泛地用于保护板和元器件免受环境影响。控制环境免受气态污染也同样重
要，因为空气污染物也能导致ECM失
效。由于元器件引脚间距尺寸在减小，无引脚封装的使用在增
加，而且高密度高阻抗设计越来越普遍。因此，可以预料ECM的发生频率在增加。
3
采取正当的清洁措施，树枝状生长能被消除。怎样清洁才算干净就会因为电路板和元器件的引脚间
距减小而变得更难以定义。间距的减小也增加了电磁场，这是树枝状生长的主要驱动力。
7.4.2 电迁移 当半导体封装内的互连导体通过电子移向金属导体使空间变得更紧密时，电迁移就
会发生。
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电子的运动是从阴极（负电荷）流向阳极（正电荷）。当电子的动量被转移到附近一个活
跃的离子时，中断或者间隙就能在导体中形成，阻止了电流流过导致开路的产生。
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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。
28
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。
28
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。
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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。
16
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。
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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。
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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。
21
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。
16
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。
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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。
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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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