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嘉峪檢測網 2024-12-23 08:24
在現代電子科技快速發展的背景下，電子元器件作為電子設備的基本構成單元，其性能與壽命直接影響到整個系統的穩定運行。然而，電子元器件在使用過程中，常常面臨來自環境的多重挑戰，其中腐蝕是一個不容忽視的問題。腐蝕不僅會導致元器件性能下降，還可能引發短路、斷路等故障，嚴重影響設備的可靠性和安全性。因此，電子元器件的腐蝕防護成為電子工程領域的重要課題。
一、電子元器件腐蝕的原因
電子元器件的腐蝕主要源于環境因素和內部材料反應。環境因素包括濕度、溫度、腐蝕性氣體（如鹽霧、二氧化硫）、灰塵等。高濕度環境下，水汽易與金屬部件發生電化學腐蝕；高溫則可能加速材料的氧化和老化；腐蝕性氣體和灰塵則會直接侵蝕元器件表面，導致腐蝕加速。此外，內部因素如材料選擇不當、制造工藝缺陷等也可能導致腐蝕問題。
電子元器件從生產、儲存、運輸到使用的整個生命周期中，不可避免會遇到高溫潮濕或酸雨、鹽霧等不利環境條件，尤其是當電子設備運用于沿海地區或亞熱帶地區時。在上述環境條件中，電子元器件在潮氣參與下發生電化學反應或化學效應而導致腐蝕失效的概率大大增加。最直接的表現可能是元器件的引腳或管殼被腐蝕，還有一種不易被發現但危害更大的情況，由于管殼密封性缺陷或塑封材料本身的吸潮性，水汽滲入管殼內部，使得芯片表面的鋁金屬化布線或內部金屬被腐蝕。
二、電子元器件腐蝕的影響
1.性能下降：腐蝕會導致元器件表面粗糙度增加，接觸電阻增大，影響信號傳輸效率和精度。
2.可靠性降低：腐蝕產生的氧化物和腐蝕產物可能引發短路、斷路等故障，降低設備的可靠性。
3.壽命縮短：長期腐蝕會加速元器件的老化過程，縮短其使用壽命。
4.安全隱患：腐蝕可能導致電路短路，引發火災、電擊等安全隱患。
三、腐蝕機理
1.鋁金屬化布線的腐蝕
鋁是微電子器件芯片金屬化連線所用的最普遍的材料。鋁本身的化學性質非常活潑，放置在干燥空氣中鋁表面易氧化而生成一層10nm左右的氧化膜，這層氧化膜可阻止內層鋁繼續腐蝕而起到保護作用。但是，若有水分存在，鋁與水相互作用能形成氫氧化鋁Al(OH)3。Al(OH)3既能溶于酸性溶液又可溶于堿性溶液，故非常容易溶入含有各種雜質離子的水中。含有雜質離子的水汽如果吸附在芯片上有鋁布線暴露的地方，如鍵合壓點或鈍化層的針孔、裂縫等處，將導致鋁的腐蝕失效。根據腐蝕條件和腐蝕機理不同，鋁金屬化布線腐蝕可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。
(1)純粹由鋁的化學反應引起的，在器件未加偏壓時發生的鋁腐蝕為化學腐蝕，這種現象多在元器件儲存過程中發生。化學腐蝕的強弱與水汽中雜質離子的含量密切相關。這種雜質離子的可能來源有:塑封樹脂熱劣化或加水分解后，從塑封樹脂添加劑中釋放的CI-、OH-、Na+等離子；干法刻蝕中采用的混合刻蝕氣體CF4/O2可能在芯片表面殘留下F離子。Na+離子則在生產工藝的各個工序中都存在，很容易引入到封裝中。
(2)鋁的電化學腐蝕效應在器件加有偏壓時發生，這是器件在上機使用狀態下發生的腐蝕。由于器件表面鋁金屬化具有不同的布局圖案，當器件具有一定偏壓時，各處電位不相等。含有雜質離子的水分子膜形成電解質溶液，于是構成了腐蝕電池，位于高電位的鋁為陽極，位于低電位的鋁為陰極，電解質中正、負離子分別向陰極或陽極移動，導致作為陽極和陰極的鋁均發生腐蝕。
2.鋁-金接觸結構的腐蝕
鋁-金接觸是常見的結構形式，如鍵合金絲和芯片表面鋁焊盤的鍵合、鋁絲和鍍金管座或管腿之間的壓焊等。由于金作為不活潑金屬而鋁作為活潑金屬，兩者的化學勢相差較大，當Au-Al接觸處有水汽附著時可形成珈伐尼原電池。水汽中的雜質酸根起著電解液的作用，Al和Au分別構成原電池的陰極和陽極，于是發生了電化學腐蝕。
這種腐蝕常出現在芯片的鍵合點或管座的壓焊點處，生成物是一種白色絮狀物質，貌似白色絨毛，俗稱“白毛”。它嚴重影響和惡化鍵和界面狀態，使得鍵合強度降低、變脆開裂、接觸電阻增大等，因而使元器件出現時好時壞的不穩定現象，最后表現為性能退化或引線從鍵合界面處脫落而導致開路。“白毛”的主成分是Al(OH)3，還有AuAl、AuAl2等。
3.銀遷移
在電子元器件的儲存及使用中，由于存在濕氣、水分，導致其中相對活潑的金屬銀離子發生遷移，導致電子設備中出現短路、耐壓劣化及絕緣性能變壞等失效。銀遷移基本上是一種電化學現象，當具備水分和電壓條件時，必定會發生銀遷移現象。空氣中的水分附在電極表面，如果加上電壓，銀就會在陽極處氧化成帶有正電荷的銀離子，這些離子在電場作用下向陰極移動，在銀離子穿過介質的途中，銀離子被存在的濕氣和離子沾污加速，通常在離子和水中的氫氧離子間發生化學反應形成氫氧化銀，在導體之間出現乳白色的污跡，最后在陰極銀離子還原析出，形成指向陽極的細絲。
四、元器件腐蝕防護措施
元器件腐蝕與高溫潮濕、酸雨和鹽霧環境條件密切相關，因此防腐蝕的措施需要關注兩個方向：一個是器件外引線的防腐蝕；另一個是防范由管殼密封不良或塑料封裝本身吸潮性引入的水汽對器件內部可靠性的影響。
元器件外引線的防腐蝕主要包括以下兒方面。
(1)元器件在儲存、運輸、安裝過程中，注意保護元器件，防止潮氣、鹽霧腐蝕性氣體、化學試劑及不當機械應力的作用。
(2)在元器件生產過程中，不斷改進工藝手段進而提高引線抗腐蝕能力，具體措施包括:①提升引腳電鍍質量，減少鍍金屬層的針孔和劃痕，提高鍍層表面的光亮度和平滑度；②在表面鍍一層耐腐蝕涂層，如Ni層或60%Sn-40%Pb焊料；③鍍金層加厚。
電子元器件失效分析技術提高塑封器件的耐濕性有以下幾個要點。
(1)選用高質量的環氧樹脂，需具有以下特點：吸潮性弱、滲透性小；熱穩定性高、熱膨脹系數小并與相關材料匹配；純度高、雜質離子濃度低(如Cl-、Na+等帶電離子)；與金屬框架粘附性好，粘附強度高。
(2)改善封裝結構，使潮氣從引腳根部處因毛細孔效應滲入內部的路徑加長。增加引線框架內部的固定孔以提高塑封料與支架的黏結強度。
(3)保證封裝環境干燥及潔凈。在封裝工藝過程中芯片打線后灌封塑料前，需要將芯片連同支架在干燥氮氣中進行烘烤，去除芯片及支架上粘附的水汽，同時保證封裝操作間內部的濕度符合要求。
(4)提高芯片自身的抗濕性能，如在芯片表面增加表面鈍化膜或改進金屬化布線的抗腐蝕能力。
提高密封性器件的耐腐蝕能力主要是提高其耐濕性，這是由密封性的優劣決定的。密封管殼的密封性主要取決于密封封蓋工藝。氣密封裝采用的封蓋方法包括熔焊(環焊和平行縫焊)、冷料焊和冷壓焊。熔焊中最易出現的問題是待焊接的兩部件之間有油脂等物質的污染、模具不完整，或者壓力不均勻造成電流密度差異引起焊接程度不同，將造成焊縫密封不良，焊接變成“貼合”而漏氣。同時，由于油脂污物電導率小，產生焦耳熱大，將在焊接中形成打火，使燒熔的金屬小球飛濺，若濺入密封腔體中則會形成金屬多余物，在后續使用中造成短路、漏電等不穩定失效。因此，焊接前要求被焊接面平整、光滑與潔凈，不能有明顯氧化、滑道和開裂等機械損傷。冷壓焊對被焊接面的清潔程度要求更嚴，尤其注意焊接時施加的壓力要適當。除改善封蓋工藝外，還要注意焊接界面兩側材料熱膨脹系數要盡量接近。
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