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1.16 贾凡尼效应、电迁移、爬行腐蚀与硫化的概念
贾凡尼效应
在讨论工艺可靠性或进行失效分析时，经常遇到贾凡尼效应、电迁移和爬行腐蚀等有关概念。了解这些概念，对于进行失效分析、可靠性设计非常重要。
1.贾凡尼效应
贾凡尼效应又称原电池效应、电偶腐蚀，即相连的、活性不同的两个金属与电解质溶液接触发生原电池反应，比较活泼的金属原子失去电子而被氧化（腐蚀）。本质就是活泼的金属被氧化。
发生贾凡尼效应的条件如下：
（1）两个活性不同的电极（两个活性不同的金属或金属与惰性电极）。
（2）电解质溶液（或潮湿的环境与腐蚀性气氛）。
（3）形成闭合回路（或正负极在电解质溶液中接触）。
一般活性比较强的金属为负极，被溶解。金属的活性顺序如图1-82所示。
图1-82 金属活性顺序
在PCB的表面处理中，常见的贾凡尼现象有：
（1）Im-Ag过程中，阻焊膜边缘下Cu的被蚀现象，如图1-83所示。在沉银过程中，因为阻焊膜与Cu裂缝的缝隙非常小，限制了沉银液对此处的银离子供应，但是此处的铜可以被腐蚀为铜离子，然后在裂缝外的铜表面上发生沉银反应。因为离子转换是沉银反应的原动力，所以裂缝下铜面受攻击程度与沉银厚度直接相关。
图1-83 贾凡尼效应
（2）选择性OSP/ENIG表面处理过程中，OSP盘的被蚀现象。在进行选择性OSP/ENIG表面处理时，首先进行ENIG处理再做OSP。由于在进行OSP处理时也要进行微蚀，如果ENIG盘与Cu盘（最终作为OSP盘）之间有连接，那么准备进行OSP处理的Cu盘与ENIG盘形成了原电池效应。如果Cu盘面积远小于ENIG盘（Cu盘面积小于ENIG盘面积的1/100），则Cu盘很可能被腐蚀掉。因此，在进行无铅背板表面处理设计时，应尽可能避免ENIG与OSP区域处于同一网络（即两者导通）。
电迁移
2.电迁移
电迁移通常是指在电场的作用下金属或离子迁移的现象，它会造成电路间绝缘电阻下降甚至短路，属于电化学腐蚀的产物。根据发生的条件，电迁移分为金属迁移和金属离子迁移。
发生电迁移的条件如下：
（1）环境湿度大，一般相对湿度超过80%，在绝缘介质表面会吸附几个分子厚度的水膜。玻璃、陶瓷最容易吸附水分子。
（2）导体间存在直流电压差。
（3）能够形成可逆反应。
常见的电迁移现象如下。
1）Ag迁移（枝晶）
厚膜电路最常见的失效模式是Ag迁移，其形成机理如下：
（1）H 2 O→H + +OH - ，形成H + 和OH - 。
（2）Ag在电场及OH - 的作用下电解为Ag + ，并产生下列可逆化学反应：
（3）在电场作用下，Ag + 从高电位移向低电位并形成絮状或树枝状扩展，在高低电位相连的边界上形成黑色Ag 2 O，如图1-84所示。
图1-84 Ag迁移现象
2）CAF
CAF，即Conductive Anodic Filament的缩写，中文译为导电阳极丝，一般指PCB中沿玻纤形成的金属丝现象。它会导致导体间绝缘电阻发生突然的难以预料的下降，详细内容见8.21节。
爬行腐蚀
1.爬行腐蚀
爬行腐蚀是指腐蚀产物（主要为Cu 2 S，还有少量的Ag 2 S）在不需要电场的环境下，从电路板裸露铜表面开始腐蚀并不断向四周扩展的腐蚀现象，如图1-85所示。主要原因来自日常生活环境中的硫化物等外来因素。
由于腐蚀产物会在阻焊层表面上爬行，导致相邻焊盘和线路间的短路，一旦发生爬行腐蚀现象，将导致电子产品提前失效，影响产品的寿命与可靠度。
图1-85 爬行腐蚀现象
2.发生场景
爬行腐蚀产生于PCB或元器件裂缝内裸铜面上，常见的发生地方为Im-Ag阻焊下贾凡尼沟槽及塑封器件的引脚根部，如图1-86所示。
图1-86 爬行腐蚀常见的发生地方
3.爬行机理
马里兰大学的Ping Zhao等学者认为，爬行腐蚀过程中首先发生的是电化学反应，同时伴随着体积膨胀以及腐蚀产物的溶解/扩散/沉淀。即首先是铜基材被氧化失去一个电子（可能伴有贵金属如金等的电偶加速作用），生成一价铜离子并溶解在水中。由于腐蚀点附近离子浓度高，在浓度梯度的驱动下，一价铜离子会自发地向周围低浓度区域扩散。当环境中相对湿度降低、水膜变薄或消失时，部分一价铜离子会与水溶液中的硫离子等结合，生成相应的盐并沉积在材料表面。
爬行腐蚀的产物以硫化亚铜为主，还有少量硫化银，这是一种P型半导体，不会造成短路的立即发生；但随着其厚度的增加，其电阻减小。
4.爬行腐蚀与电迁移、CAF的对比
与电迁移（包括枝晶、CAF）类似，爬行腐蚀也是一个传质的过程，但三者发生的场景、生成的产物以及导致的失效模式并不完全相同，具体对比见表1-6。
表1-6 爬行腐蚀、枝晶和CAF的特点对比
爬行腐蚀属于硫化腐蚀的一种，之所以将其单独命名，是因为它具有显著的特性——腐蚀产物向四周扩散。与电阻、排阻、电容的硫化现象与失效现象不一样，这些硫化物为Ag 2 S，腐蚀产物呈莲花状黑色结晶物，不溶于水也不导电。
5.硫化物的危害
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1MΩ。
6.防护措施
（1）采用三防涂敷无疑是防止PCBA腐蚀的最有效措施。
（2）设计和工艺上减小PCB、元器件露铜的概率。
（3）组装过程尽力减少热冲击及污染离子残留。
（4）整机设计加强温、湿度的控制。
（5）机房选址避开明显的硫污染源。
7.关于爬行腐蚀的研究
大气中的哪些硫化气氛（如二氧化硫、单质硫、有机硫化物等）会导致爬行腐蚀；腐蚀的发生是否存在湿度门槛值；产生爬行的机理和驱动力是什么；物质表面特性，比如不同表面处理/油、连接器塑封材料等对爬行腐蚀有什么影响；等等，目前均尚无公认的结论。
关于爬行腐蚀的详细内容见14.4节。