前言

在電子設(shè)備中，有一種失效現(xiàn)象常被稱為“慢性病”——電化學(xué)遷移（ECM）。它悄無聲息地腐蝕電路，最終導(dǎo)致短路、漏電甚至器件燒毀。尤其在高溫高濕環(huán)境下可能導(dǎo)致電路短路失效。本文將深入解析ECM的機(jī)制，并對(duì)比其與導(dǎo)電性陽極絲（CAF）的異同。

一、什么是電化學(xué)遷移（ECM）？

電化學(xué)遷移的本質(zhì)是在電場(chǎng)作用下，金屬離子（如銅、銀、錫、鋁等）從陽極向陰極遷移，并在陰極還原沉積，形成樹枝狀導(dǎo)電通道的過程。具體過程可分為三步：

1.金屬電解：陽極金屬在潮濕環(huán)境中被電解為離子（如Ag?）。

2.離子遷移：電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)金屬離子穿過絕緣介質(zhì)向陰極移動(dòng)。

3.枝晶生長(zhǎng)：離子在陰極還原為金屬單質(zhì)，逐漸堆積成樹枝狀導(dǎo)電通路。

圖1 電化學(xué)遷移示意圖

這種現(xiàn)象常見于高溫高濕及帶電場(chǎng)的可靠性測(cè)試或終端客戶的使用過程中，如高加速應(yīng)力測(cè)試（BHAST）及H3TRB等可靠性測(cè)試，尤其在BGA、CSP等精密封裝器件中，因錫球間距微小，ECM更易引發(fā)短路。

二、發(fā)生環(huán)境的三大條件

容易產(chǎn)成ECM的條件：

1.濕度：相對(duì)濕度>80%，形成吸附水膜；高濕度促進(jìn)電解液形成，加速離子遷移。

2.電壓差：導(dǎo)體間存在直流偏壓（如電路板相鄰焊點(diǎn)有電壓差）；電壓差越大，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力越強(qiáng)。

3.離子污染：殘留助焊劑、灰塵或污染物提供電解液環(huán)境，增加導(dǎo)電性。

三、失效分析方法、案例

電化學(xué)遷移通常呈現(xiàn)的典型的形貌有：枝晶狀（圖2 (c））、苔蘚狀（圖3）?，F(xiàn)象嚴(yán)重的可以通過X-RAY、開封等手法檢測(cè)到，但是大多數(shù)情況ECM的物理現(xiàn)象是比較輕微的，這種情況就需要結(jié)合熱點(diǎn)定位（圖4）、切片、SEM等手法來挖掘現(xiàn)象（圖5）。

X-Ray檢測(cè)到的ECM現(xiàn)象：

a）x-ray觀察到的封裝內(nèi)die側(cè)壁的ECM形貌

b）a)的放大形貌

c）引腳與基板間的ECM形貌

d）引腳之間的ECM形貌

圖2

開封后在晶圓表面及側(cè)壁使用OM/SEM觀察到的ECM現(xiàn)象：

a）開封后光學(xué)顯微鏡觀察形貌圖

b）SEM觀察形貌圖

圖3

由于ECM導(dǎo)致的漏電路徑非常不穩(wěn)定，通常伴隨環(huán)溫度等環(huán)境變化（如解焊、開封等動(dòng)作）導(dǎo)致漏電消失的情況，因此分析時(shí)需要注意樣品的保護(hù)，通常采用Lock in thermal設(shè)備進(jìn)行熱點(diǎn)定位（圖4）及切片的手法進(jìn)行異?，F(xiàn)象分析（圖5）。

Lock in thermal探測(cè)到ECM引發(fā)的二極管側(cè)壁漏電現(xiàn)象：

圖4 Lock in thermal熱點(diǎn)成像

漏電二極管定點(diǎn)切片后，在截面觀察到的Sn的電化學(xué)遷移現(xiàn)象：

a）晶圓側(cè)壁截面SEM形貌圖

b）EDX元素分布圖

圖5

四、ECM與CAF的對(duì)比

雖然ECM與CAF均屬于電子遷移，但兩者在發(fā)生位置、機(jī)制及檢測(cè)方式上存在顯著差異：

五、預(yù)防對(duì)策：切斷電子遷移的“生存鏈”

1.環(huán)境控制：

降低濕度（如使用防潮涂層）、避免污染物殘留；

使用防潮涂層或密封膠；

控制存儲(chǔ)濕度（建議<60% RH）。

2.設(shè)計(jì)優(yōu)化：

增加導(dǎo)體間距、減少玻纖微裂紋（針對(duì)CAF）；

避免相鄰導(dǎo)體高電壓差設(shè)計(jì)；

選用抗CAF（導(dǎo)電陽極絲）板材。

3.工藝改進(jìn)：

加強(qiáng)清洗流程，減少離子污染。

嚴(yán)格清洗電路板，減少離子殘留；

改善焊接質(zhì)量，避免微裂紋。

4.材料選擇：

采用低吸濕性基材、抗遷移金屬鍍層。

結(jié)語

ECM和CAF是電子器件可靠性的“隱形殺手”，尤其在微型化趨勢(shì)下更加劇了其風(fēng)險(xiǎn)性。通過分析其機(jī)理并采取針對(duì)性措施，可有效提升產(chǎn)品壽命。若需更詳細(xì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)或案例，可參考IPC-9201等行業(yè)規(guī)范。