1.11 贾凡尼效应、电化学迁移与爬行腐蚀的概念

贾凡尼效应

在讨论工艺可靠性或进行失效分析的时候，我们经常提到贾凡尼效应、电化学迁移和爬行腐蚀等有关概念。了解这些概念，对于我们进行失效分析、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、活性不同的两种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），其本质就是活泼的金属被氧化。

发生贾凡尼效应的条件：

●两个活性不同的电极（两种活性不同的金属或者金属与惰性电极）；

●电解质溶液（或潮湿的环境与腐蚀性气氛）；

●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1-71所示。

在PCB的表面处理中，常见的贾凡尼现象如下。

（1）在Im-Ag过程中，阻焊膜边缘下铜（Cu）的被腐蚀现象，如图1-72所示。在沉银过程中，因为阻焊膜与铜裂缝的缝隙非常小，限制了沉银液对此处的Ag离子供应；但是此处的Cu可以被腐蚀为Cu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，所以裂缝下铜表面受攻击程度与沉银厚度直接相关。

（2）在选择性OSP/ENIG表面处理过程中OSP盘的被蚀现象。在做选择性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盘与铜盘（最终作为OSP盘）之间有连接，那么准备进行OSP处理的铜盘与ENIG盘形成了贾凡尼效应。如果铜盘面积远小于ENIG盘（铜盘面积小于ENIG盘面积的1/100），则铜盘很可能被腐蚀掉。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）。

电化学迁移

2.电化学迁移

电化学迁移（ECM），在IPC J-STD-004B中被定义为在直流偏压作用下导电枝晶的形成和生长现象。导电枝晶是通过含有从阳极溶解出来的金属离子溶液的电沉积，经电场转移后再沉积至阴极，但不包括由于电场感应所导致的金属在半导体内的移动和由于金属腐蚀所造成的生成物的扩散现象。

发生电化学迁移的条件如下：

（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。

EMC根据其发生的形态和生长的状况，可以分为枝晶生长和导电阳极丝（Conductive Anodic Filament，CAF）两大类。PCBA上的Cu、Ag、Sn、Pb等均可发生枝晶生长，其中最常见的是Ag枝晶生长（也称Ag迁移）。

1）Ag迁移（枝晶）

厚膜电路最常见的失效模式是Ag迁移，其形成机理是：

H ₂ O→H ⁺ +OH ^- ，形成H ⁺ 和OH ^-

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：

2Ag ⁺ +2OH ^- 2AgOH Ag ₂ O+H ₂ O

在电场作用下，Ag ⁺ 从阳极向阴极迁移并在阴极上形成黑色Ag ₂ O，如图1-73所示。

2)CAF

CAF是指PCB中沿玻璃纤维形成的金属丝现象，如图1-74所示。CAF层导致导体间绝缘电阻值发生突然的、难以预料的下降。

CAF的金属迁移是沿着PCB的玻璃纤维空心进行的，属于导引性的迁移。

CAF形成机理：

（1）Cu→Cu ²⁺ +2e ^- （Cu从阳极发生溶解）

H ₂ O→H ⁺ +OH ^-

（2）Cu ²⁺ +2OH ^- →Cu（OH） ₂ （Cu从阳极向阴极方向迁移）

（3）CuO+H ₂ O→Cu（OH） ₂ →Cu ²⁺ +2OH ^- （Cu在阴极沉积）

Cu ²⁺ +2e ^- →Cu

爬行腐蚀

3.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，从电路板裸露的铜表面开始腐蚀并不断向四周扩展的腐蚀现象，如图1-75所示。它主要由日常生活环境中的硫化物等外来因素引起。

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性。

1）发生场景

爬行腐蚀产生于PCB或元器件微孔、微隙内的裸铜面上，常常发生于Im-Ag阻焊下贾凡尼沟槽及塑封元器件的引脚根部，如图1-76所示。

2）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。首先是铜基材被氧化而失去一个电子（可能伴有贵金属如Au等的电偶加速作用），生成一价Cu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Cu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Cu离子会与水溶液中的S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Cu ₂ S为主，还有少量Ag ₂ S，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。此外，该腐蚀产物的电阻值随湿度的变化急剧变化，可从10MΩ下降到1Ω。

3）爬行腐蚀与电化学迁移的对比

与电化学迁移（包括枝晶、CAF）类似，爬行腐蚀也是一个传质的过程，但发生的场景、生成的产物及导致的失效模式并不完全相同，具体对比见表1-2。

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；它与电阻、排阻、电容的硫化现象和失效现象不一样，其中的硫化物为Ag ₂ S，其腐蚀产物呈莲花状黑色结晶物，不溶于水，也不导电。

4）硫化物危害

硫化物具有半导体性质，一般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。

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。

5）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）设计和工艺上要减小PCB、元器件露铜的概率。

（3）组装过程要尽力减少热冲击及污染离子残留。

（4）整机设计要加强温度、湿度的控制。

（5）机房选址应避开明显的硫污染。

6）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？腐蚀产物爬行的机理和驱动力是什么？物质表面特性（比如不同表面的处理，油、连接器塑封材料等）对爬行腐蚀有什么影响等，目前均未有公认的结论。 X1wzdLN38gx8V417qjW3zTvkhQ9/sQt+z+1pOeqIgia1mroAt60iL9DRyFP3GIHR