浅谈爬行腐蚀现象

一、问题的提出

先来看两个失效案例：

1. 一批运行了相当一段时间后的用户单板中，发现其中6块单板过孔上发黑而导致工作失常，如图1所示。

图1 电容、电阻端子焊点发黑

2. 一批PCBA在运行了一段时间后出现了4块因电阻排焊盘和焊点发暗而导致电路工作不正常，如图2所示。

图2 电阻排焊盘和焊点发暗

不管是失效的电容、电阻还是电阻排，端子接口的位置都检测到大量硫元素的存在。对失效样品上残留的尘埃进行检测也发现硫元素含量很高。因此，从现象表现和试验分析的结果看，造成故障的原因是应用环境中的硫浸蚀。

二、爬行腐蚀的机理

爬行腐蚀发生在裸 露的铜表面上。铜表面在含硫物质（单质硫、硫化氢、硫酸、有机硫化物等）的作用下会生成大量的硫化物。

铜的氧化物是不溶于水的。但是铜的硫化物和氯化物却会溶于水，在浓度梯度的驱动下，具有很高的表面流动性。生成物会由高浓度区向低浓度区扩散。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1Ω。湿气（水膜）会加速这种爬行腐蚀：硫化物（如硫酸、二氧化硫）溶于水会生成弱酸，弱酸会造成硫化铜的分解，迫使清洁的铜面露出来，从而继续发生腐蚀。显然湿度的增加会加速这种爬行腐蚀。据有关资料报道，这种腐蚀发生的速度很快，有些单板甚至运行不到一年就会发生失效，如图3、图4所示。

图3 电阻排焊点的爬行腐蚀

图4 PTH过孔上的爬行腐蚀

三、爬行腐蚀的影响因素

1. 大气环境因素的影响

作为大气环境中促进电子设备腐蚀的元素和气体，被列举的有SO2、NO2、H2S、O2、HCl、Cl2、NH3等，腐蚀性气体成分的室内浓度、蓄积速度、发生源、影响和容易受影响的材料及容许浓度如表1所示。上述气体一溶入水中，就容易形成腐蚀性的酸或盐。

表1

2. 湿度

根据爬行腐蚀的溶解/扩散/沉积机理，湿度的增加应该会加速硫化腐蚀的发生。Ping Zhao等人认为，爬行腐蚀的速率与湿度成指数关系。Craig Hillman等人在混合气体实验研究中发现，随着相对湿度的上升，腐蚀速率急剧增加，呈抛物线状。以Cu为例，当湿度从60%RH增加到80%RH时，其腐蚀速率后者为前者的3.6倍。

3. 基材和镀层材料的影响

Conrad研究了黄铜、青铜、CuNi三种基材，Au/Pd/SnPb三种镀层结构下的腐蚀速率，实验气氛为干/湿硫化氢。结果发现：基材中黄铜抗爬行腐蚀能力最好，CuNi最差；表面处理中SnPb是最不容易腐蚀的，Au、Pd表面上腐蚀产物爬行距离最长。

Alcatel-Lucent、Dell、Rockwell Automation等公司研究了不同表面处理单板抗爬行腐蚀能力，认为HASL、Im-Sn抗腐蚀能力最好，OSP、ENIG适中，Im-Ag最差。

Alcatel-Lucent认为各表面处理抗腐蚀能力排序如下：

ImSn～HASL5ENIG＞OSP＞ImAg

化学银本身并不会造成爬行腐蚀。但爬行腐蚀在化学银表面处理中发生的概率却更高，这是因为化学银的PCB露铜或表面微孔更为严重，露出来的铜被腐蚀的概率比较高。

4. 焊盘定义的影响

Dell的Randy研究认为，当焊盘为阻焊掩膜定义（SMD）时，由于绿油侧蚀存在，PCB露铜会较为严重，因而更容易腐蚀。采用非阻焊掩膜（NSMD）定义方式时，可有效提高焊盘的抗腐蚀能力。

5. 单板组装的影响

① 再流焊接：再流的热冲击会造成绿油局部产生微小剥离，或某些表面处理的破坏（如OSP），使电子产品露铜更严重，爬行腐蚀风险增加。由于无铅再流温度更高，故此问题尤其值得关注。

② 波峰焊接：据报道，在某爬行腐蚀失效的案例中，腐蚀点均发生在夹具波峰焊的阴影区域周围，因此认为助焊剂残留对爬行腐蚀有加速作用。其可能的原因是：

●助焊剂残留比较容易吸潮，造成局部相对湿度增加，反应速率加快；

●助焊剂中含有大量污染离子，酸性的H+还可以分解铜的氧化物，因此也会对腐蚀有一定的加速作用。

四、对爬行腐蚀的防护措施

随着全球工业化的发展，大气将进一步恶化，爬行腐蚀将越来越受到电子产品业界的普遍关注。归纳对爬行腐蚀的防护措施主要有：

（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、湿度的控制；

（5）机房选址应避开明显的硫污染。

五、爬行腐蚀、离子迁移枝晶及CAF等的异同

马里兰大学较早研究了翼型引脚器件上的爬行腐蚀，并对腐蚀机理进行了初步的探讨。与离子迁移枝晶、CAF类似，爬行腐蚀也是一个传质的过程，但三者发生的场景、生成的产物及导致的失效模式并不完全相同，具体对比如表2所示。

表2

 语结

爬行腐蚀的现象明确，只要我们提高对产品质量的重视程度，采取适当的措施是完全可以避免的。从这个意义上可以说爬行腐蚀是低质伪劣电子产品的特征。

信息来源：中国腐蚀与防护网

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