表面處理工藝對基板表面金屬元素電化學(xué)遷移的影響分析

張新貞

（福建百駿之星未來科技有限公司彎刀實驗室，福建 福州 350014）

近年來電子產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)發(fā)展非常迅速，電子產(chǎn)品的尺寸越來越小，精度也越來越高，這給電子產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生一定的影響。在大量的可靠性因素中，電化學(xué)遷移會產(chǎn)生腐蝕，對電子產(chǎn)品的零部件產(chǎn)生很大的影響。電化學(xué)遷移是在相鄰的電極中，電極金屬會發(fā)生溶解情況，進入到介質(zhì)在，遷移到電極。在這個環(huán)節(jié)中，會發(fā)生化學(xué)沉積問題，導(dǎo)致晶枝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。通過有機保焊膜的方式，可以對電路板的表面進行處理，可以提升金屬表面的耐摩擦效果。本文采用了有機保焊膜和浸鈀金進行表面處理，結(jié)合電化學(xué)遷移問題，有效的抵抗了電化學(xué)遷移。

1 相關(guān)試驗

（1）試樣分析。試驗基本是選用FR-4基板，陶瓷基板和樹脂基板，將其分別編號為1,2,3，在三種基板上都采用表面處理工藝。分別采用有機保焊膜、浸鈀金和化學(xué)鎳金處理。相關(guān)的行業(yè)提供了金屬表面絕緣電阻的測試結(jié)果，在設(shè)計中，電極的寬度設(shè)計為3mm，長度為5mm，電極之間的距離設(shè)計為0.4mm。設(shè)計出電路圖后，基板底層導(dǎo)電銅的厚度一般為2μm，浸鈀金表面的厚度為1μm，化學(xué)鎳金厚度為4μm，上層金的厚度為0.06μm。

（2）試驗方法。本次研究采用水滴試驗的方式，借助水滴試驗的方式，對不同材料的表面進行處理，分析電化學(xué)遷移問題。結(jié)合試驗電路分析，對電阻進行保護，將電壓表與電腦連接在一起，收集電壓數(shù)值。在實驗中，對試樣的電阻值變化進行分析。在完成了組件的安裝工作后，將1μL的去離子水配置，將其放置在電極的中央，然后將電路導(dǎo)通，當電阻兩端的電壓值超過1V就確定為失效，對電路失效的時間進行分析，對失效時間進行對比，從而對電化學(xué)遷移的敏感程度進行測試。通過光學(xué)顯微鏡的觀察，采用Bench Vue軟件對測試的數(shù)據(jù)進行收集。在試驗完成后，將樣品風(fēng)干，然后采用掃描電鏡進行元素分析。

2 結(jié)果討論

（1）有機保護膜與浸鈀金試樣。采用了有機保護膜后，電化學(xué)會經(jīng)過第一階段，在這個階段，金屬陽極在氧化還原反應(yīng)的基礎(chǔ)上會出現(xiàn)氣泡，溶解速度非常劇烈。經(jīng)過30s后，在第二階段，在陰極的邊緣處產(chǎn)生少量黑色樹枝狀的結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)朝著陽極的方向延伸。在電化學(xué)遷移的第三階段，出現(xiàn)一個晶狀樹結(jié)構(gòu)，并且一直延伸到陽極。在試驗進行到一分鐘后，電阻下降，并且出現(xiàn)短路。

在采用有機保護膜后，電化學(xué)遷移的問題可以結(jié)合遷移模型進行分析，在電化學(xué)遷移發(fā)生后，需要結(jié)合三個非常關(guān)鍵的條件，金屬元素是裸露的，并且溶液和介質(zhì)之間出現(xiàn)電極差。金屬銅作為電極，發(fā)生電化學(xué)遷移，也會產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)，與液體接觸的陽極在電流的作用下發(fā)生了溶解現(xiàn)象。在第二階段的反映中，在陽極溶解環(huán)節(jié)中，金屬銅發(fā)生了氧化反應(yīng)，在溶液中電解質(zhì)存在一定的差異，在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生了亞銅離子。在第三階段進行中，在氫氧化銅溶解后，銅離子會出現(xiàn)移動，出現(xiàn)了電化學(xué)沉積的情況，將金屬單質(zhì)還原。由于化合物的穩(wěn)定程度比較差，在溶液中分解成金屬單質(zhì)和金屬化合物，這些單質(zhì)和化合物具有很強的導(dǎo)電性能，有些金屬不溶解，會在陰極區(qū)域聚集。在陰極會出現(xiàn)大量的晶狀樹結(jié)構(gòu)，并且朝著陽極延伸，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)陰極和陽極的絕緣電阻下降。當晶枝與陽極接通后，會導(dǎo)致短路。

通過上述過程的分析，可以看到影響電化學(xué)遷移速度的因素主要有金屬氧化物在溶液中的溶解速度，而且在金屬發(fā)生電解的環(huán)節(jié)中，會生成標準電化學(xué)位。

在上述因素中，會導(dǎo)致電化學(xué)遷移。強氧化物在溶液中溶解的速度與金屬元素的標準電化學(xué)位具有密切的關(guān)系。在經(jīng)過了有機保護膜處理后，F(xiàn)R-4基板對電化學(xué)遷移的抵抗力是最差的。在本次試驗中，在1min以內(nèi)電化學(xué)遷移就會導(dǎo)致電路板發(fā)生短路問題。在平時的工作環(huán)境中，如果環(huán)境潮濕，或者經(jīng)常下雨，電子產(chǎn)品的電化學(xué)遷移失效時間會少于30s。

在進行浸鈀金試樣中，也要結(jié)合經(jīng)典模型的方式。在對金屬元素的樹突結(jié)構(gòu)進行分析后，發(fā)現(xiàn)在浸鈀金試樣中，只有部分金屬出現(xiàn)了電化學(xué)遷移。陽極區(qū)域具有大量的銅元素，在陽極上金屬遷移，所以導(dǎo)致原有的銅元素裸露出來。結(jié)合浸鈀金工藝的方式，樹脂基板、陶瓷基板和FR-4基板的平均失效時間分別是58s、44s和46s。說明樹脂基板在采用浸鈀金工藝后抵抗電化學(xué)遷移的效果是最好的。

（2）化學(xué)鎳金試樣。在采用了化學(xué)鎳金試樣后，再結(jié)合經(jīng)典化學(xué)遷移模型后，發(fā)現(xiàn)二者的結(jié)論存在差異。在第一階段，陰極和陽極都產(chǎn)生了大量的氣泡，黑色的沉淀物附著在陽極上，在陰極的附近發(fā)現(xiàn)有晶枝樹突結(jié)構(gòu)。在化學(xué)鎳金實驗后，發(fā)現(xiàn)在電極的陽極處出現(xiàn)了大量的灰綠色沉淀物。

在陽極區(qū)域主要產(chǎn)生鎳元素，在溶液中氫氧化物會沉淀。在陰極和陽極上分布金屬元素，并且與電極的形狀具有一致性，在試驗中，鎳金并沒有參與到電化學(xué)遷移中。銅元素與晶枝結(jié)構(gòu)分布在一起，說明晶枝結(jié)構(gòu)主要由銅元素構(gòu)成。在化學(xué)鎳金中，鎳元素含量比較多，也會產(chǎn)生晶枝結(jié)構(gòu)，說明在試驗中也發(fā)生了銅元素的遷移。金屬鎳會產(chǎn)生非常明顯的電化學(xué)遷移的問題，在第一階段會呈現(xiàn)陽極的溶解。氫氧化鎳的顏色為綠色，并且可以溶于水，鎳離子在水溶液中還會形成氧化物。在試驗中，鎳離子還會發(fā)生反應(yīng)，生成氧化亞鎳，其顏色為綠色。在陽極處會生成黑色的物質(zhì)，這些物質(zhì)鎳的氧化物和氰化物的結(jié)合體。在化學(xué)鎳金試樣中，只有當溶液中含有氯離子時，才會發(fā)生遷移?；瘜W(xué)鎳金試樣分析后，在陽極晶枝的導(dǎo)電性非常差，晶枝會在正極的邊緣處聚集，導(dǎo)致試驗時間的延長。在不能對電阻兩端進行保護的情況下，電壓如果大于1V就會導(dǎo)致試驗失效的情況。在對化學(xué)鎳金試樣試驗總結(jié)中，對電阻兩端的電壓分布情況進行分析，發(fā)現(xiàn)樹脂基板抵抗電化學(xué)遷移的能力最強。

有機保護膜和浸鈀金試樣中分析電化學(xué)遷移現(xiàn)象，應(yīng)該結(jié)合經(jīng)典模型的結(jié)論，在浸鈀金試樣中，發(fā)生了金屬的遷移，但是銅并沒有發(fā)生任何的遷移。在化學(xué)鎳金試樣中，主要是鎳的氧化物發(fā)生遷移，并且移動到陽極區(qū)域。也有的化學(xué)鎳金試樣在試驗后出現(xiàn)金屬銅的遷移現(xiàn)象，說明化學(xué)鎳金試樣在長時間下容易發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的變化。

3 結(jié)語

在金屬表面處理中，采用有機保護膜和浸鈀金的方式，結(jié)合經(jīng)典化學(xué)遷移模型，采用化學(xué)鎳金表面處理后，結(jié)合陽極晶枝生長模型。在采用浸鈀金表面處理后，少量的銅參與到遷移中。三種工藝中，樹脂基板的抗電化學(xué)遷移的能力最強。