電化學(xué)遷移

由腐蝕引起(qǐ)的電化學(xué)遷移(Electrochemical migration，ECM)是電子産品特别是PCB和微電子器件失效最主要的原因。當存在電位梯度時(shí)，即可影響單一金屬的腐蝕行爲，也可能(néng)影響更多金屬耦合的電偶腐蝕行爲。電化學(xué)遷移包括陽極溶解，電場作用下的離子遷移和陰極還(hái)原沉積。即或是工作電壓隻有幾伏特，但是由于高集成(chéng)度，PCB上相鄰線路的電場強度也可達 10^2~103^V/cm。電場梯度越大電化學(xué)遷移越快，甚至在數十分鍾内就(jiù)可導緻電路失效。已有研究表明，不同金屬的電化學(xué)遷移行爲顯著不同，如金屬鋁沒(méi)有電化學(xué)遷移現象，而銀、銅、錫、鉛和金具有較高的電化學(xué)遷移敏感性。電化學(xué)遷移有兩(liǎng)種(zhǒng)形式，一種(zhǒng)是金屬離子遷移到陰極還(hái)原沉積形成(chéng)枝晶并向(xiàng)陽極方向(xiàng)生長(cháng)，另一種(zhǒng)是從陽極向(xiàng)陰極生長(cháng)的導電陽極絲(Conductinganodic filaments，CAFs)。金屬的腐蝕電化學(xué)遷移最終會(huì)造成(chéng)電路的短路漏電流，從而導緻系統的失效。

使用環境中的污染物、塵埃、溫度和相對(duì)濕度等因素也會(huì)顯著地影響電子系統的可靠性。腐蝕和電化學(xué)遷移都(dōu)依存于表面(miàn)吸附膜的生成(chéng)。吸附膜的生成(chéng)與金屬表面(miàn)極性和表面(miàn)能(néng)有關，在室溫下，當相對(duì)濕度（RH）<50%時(shí)，金屬表面(miàn)吸附水膜隻有1~3個水分子層厚度，不會(huì)有腐蝕發(fā)生，當RH達到60~70%時(shí)，金屬表面(miàn)就(jiù)有可能(néng)生成(chéng)足夠的吸附水膜（20~50水分子層厚度），從而導緻腐蝕發(fā)生。但若有污染物存在時(shí)，這(zhè)個臨界相對(duì)濕度可能(néng)降低到 40%。因此，污染物的存在不僅會(huì)顯著增加金屬的腐蝕速度，也會(huì)顯著地影響金屬的電化學(xué)遷移敏感性，當金屬表面(miàn)上存在氯化物或其他絡合配體污染物時(shí)，即或是金、钯、鉑等穩定的金屬也會(huì)發(fā)生電化學(xué)遷移。所以相對(duì)濕度、溫度和大氣污染物對(duì)金屬的腐蝕行爲有極大的影響。

影響電子系統腐蝕的因素很多，其中環境因素是最重要的影響因素之一。電子系統有 90%是在大氣中使用的，其腐蝕形式主要是大氣腐蝕。影響電子系統腐蝕的主要因素有以下幾種(zhǒng)：

(1)相對(duì)濕度：相對(duì)濕度是左右大氣腐蝕最大的影響因素之一。當與其他腐蝕因素協同作用時(shí)，腐蝕速度急劇增大。但是當相對(duì)濕度不高時(shí)，即使存在其它腐蝕因素，腐蝕幾乎不發(fā)生(硫化氫環境除外)。通常相對(duì)濕度在60%左右時(shí)，腐蝕才會(huì)發(fā)生，當相對(duì)濕度超過(guò) 75%，腐蝕速度會(huì)急劇增大。當金屬表面(miàn)水膜的厚度達到 1µm時(shí)，大氣腐蝕最爲嚴重。而在大氣使用環境中，金屬表面(miàn)形成(chéng)水膜主要受環境中濕度的影響。測量中發(fā)現，在相對(duì)濕度爲65%~80%的空氣中，物體上的水膜厚度爲 0.001~0.1µm，而在相對(duì)濕度爲 100%時(shí)，物體上的水膜厚可達幾十微米。由于金屬表面(miàn)上形成(chéng)的水膜爲金屬的溶解提供了前提條件，導緻了電子系統發(fā)生短路或斷路現象。此外，如果空氣中含有污染物，如二氧化硫、氮的氧化物、塵埃以及氯化物，將(jiāng)有利于促進(jìn)物體表面(miàn)上水膜的形成(chéng)和增加水膜的厚度，從而加速金屬的溶解。

(2)幹濕交替：當金屬材料暴露于大氣環境下後(hòu)，由于大氣相對(duì)濕度是經(jīng)常發(fā)生變化的，因此金屬材料表面(miàn)常常處于不同相對(duì)濕度交替變化的狀态中。當相對(duì)濕度較低時(shí)，金屬材料表面(miàn)處于幹燥狀态，當相對(duì)濕度較高時(shí)，金屬材料表面(miàn)形成(chéng)一定厚度的液膜。因此，置于大氣中的金屬材料經(jīng)常處于一種(zhǒng)幹濕交替的狀态中，幹濕交替影響了金屬材料表面(miàn)鹽濃度的變化，從而影響金屬材料的腐蝕速率。此外，由于空氣中的相對(duì)濕度直接影響到金屬表面(miàn)的水膜厚度，從而影響到金屬的腐蝕速率。幹濕交替變化的頻率受到多種(zhǒng)因素的影響。

(3)溫度：溫度也是影響電子系統腐蝕的重要因素，是增進(jìn)腐蝕反應的動力之一。當溫度在 40℃以下，對(duì)金屬腐蝕反應的速度影響不大；當溫度在 40℃以上，稱之爲高溫區，金屬腐蝕反應的速度較大，尤其對(duì)銅及其合金腐蝕的影響較大。電子系統在使用過(guò)程中，其溫度通常是高于40℃，因此電子系統會(huì)比其它地方更加容易發(fā)生腐蝕。 

(4)腐蝕性氣體：腐蝕性氣體主要來自兩(liǎng)個方面(miàn)，一個是大氣中存在的污染氣體，如SO2、 H2S、臭氧及氮的氧化物等，另一個是與儀器、元器件同時(shí)存在的有機化合物發(fā)生分解時(shí)所産生的污染性氣體。這(zhè)些氣體可以溶解到金屬表面(miàn)的水膜中，形成(chéng)含腐蝕性離子的電解質液膜，從而加速電子系統的腐蝕進(jìn)程，當其中兩(liǎng)種(zhǒng)或多種(zhǒng)氣體同時(shí)存在時(shí)，它們還(hái)可能(néng)發(fā)生協同作用而加劇電子系統的腐蝕。

(5)塵埃：當空氣中的塵埃附著(zhe)在金屬表面(miàn)上，這(zhè)些塵埃中通常含有各種(zhǒng)鹽類，如硫酸根、硝酸根及氯離子等水溶性成(chéng)分。在一定相對(duì)濕度下，金屬表面(miàn)上形成(chéng)一層水膜厚，附著(zhe)在電子産品機構部位、觸電部位、磁帶以及軟盤等磁媒體上的塵埃中的可溶性鹽將(jiāng)溶解在水膜中形成(chéng)腐蝕性電解質水膜，導緻設備發(fā)生腐蝕并使絕緣阻抗降低。此外，塵埃還(hái)可以加速金屬表面(miàn)水膜的形成(chéng)，溶解在水膜中作爲腐蝕離子加速腐蝕反應。當電子元器件中在使用過(guò)程中，由于金屬材料有間有不同的電位差，可能(néng)會(huì)發(fā)生比上述存在腐蝕離子更爲嚴重的電偶腐蝕。

(6)海鹽微粒：海鹽微粒的主要成(chéng)分是 10%氯化鎂和 75%氯化鈉。在20℃時(shí)，兩(liǎng)者的臨界相對(duì)濕度分别是 33%和 75%。

(7)殘餘物：電子系統在加工的過(guò)程中，由于殘留物的存在，將(jiāng)導緻電子系統發(fā)生腐蝕。例如，電子系統在加工過(guò)程中，由于使用了助焊劑，因此需要對(duì)電子系統進(jìn)行清洗。但是在清洗過(guò)程中，由于清洗不充分，或者所用的清洗劑殘留在電子系統中，當電子系統置于大氣中，一旦電子材料表面(miàn)有水膜形成(chéng)，這(zhè)些殘留物如助焊劑和清洗劑將(jiāng)進(jìn)入水膜中，而助焊劑和清洗劑往往含有鹵素成(chéng)分，勢必將(jiāng)加速電子系統的腐蝕。

(8)電場：由于電子系統高的集成(chéng)度，因此電子系統在運行過(guò)程中，在金屬之間將(jiāng)産生電場。這(zhè)種(zhǒng)電場將(jiāng)導緻金屬表面(miàn)有電流流過(guò)，導緻金屬之間産生陽極導電絲或陰極枝晶，從而使電子系統提前失效。

此外，風速、日照、凝露、降雨、降雪等因素直接影響到水膜形成(chéng)與蒸發(fā)，金屬表面(miàn)的粗糙度和腐蝕産物的緻密性也會(huì)影響電子系統的腐蝕。另外電子系統在使用過(guò)程中也會(huì)發(fā)生腐蝕，如外界壓力、黴菌、輻射、粘結劑等，都(dōu)會(huì)加速電子系統的腐蝕。

                                                  --摘自《薄層液膜下PCB-Cu的腐蝕行爲及機理研究 》論文