散熱片鉚接引腳的腐蝕變色失效原因

姚 彥,劉燕芳,于全耀,潘啟智

(中達電子(江蘇)有限公司 失效分析實驗室，蘇州 215200)

電子元器件的貯存或服役環境主要是大氣環境，在溫度、濕度、灰塵、腐蝕性氣體等因素作用下，器件中的金屬零部件易發生大氣腐蝕[1]，導致器件發生短路、點接觸腐蝕變色等故障，使設備喪失使用功能[2]。因此，電子設備在貯存或服役環境中的器件腐蝕問題一直備受關注[3]。

元器件中的金屬材料間具有電位差，這使得其腐蝕比一般的大氣腐蝕更嚴重[3]。為了防止電子設備器件中的金屬零部件發生腐蝕，一般采用鍍層進行防護，以提高產品的可靠性[4]。然而，當鍍層質量較差或者存在破損時，不能起到防腐蝕作用，有時甚至會形成電化學腐蝕，加速器件的老化，致使產生失效[5]。

某電子產品上散熱片鉚接引腳的示意見圖1，采用SPCC板材表面鍍Cu后鍍Sn制成。一批產品在高溫高濕條件下經200 h測試后，部分產品引腳表面出現黃色物質。而另一批產品經200 h高溫高濕試驗后，引腳表面未出現黃色物質。

(a) 散熱片

為弄清引腳變色腐蝕的原因，本工作通過形貌觀察、成分分析等方法對變色腐蝕試樣進行了全面分析與研究， 以期為防止此類現象再次發生提供參考。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌

由圖2可見： 引腳試樣經過200h高溫高濕測試，表面出現明顯變色且有異物堆積。紅框區域(框1)異物較多且呈現堆積現象，腐蝕比較嚴重，綠框區域(框2)異物較少，變色較輕微，為輕微腐蝕；在引腳周邊藍框區域(框3)存在白色物質，物質成分屬性有待一步分析。結合引腳側面腐蝕形貌，腐蝕易在引腳四周邊角部位產生且較嚴重。

(a) 表面

1.2 腐蝕物形貌及成分

由圖3可見：變色引腳試樣表面腐蝕產物有不同程度的開裂且出現瘤狀物；引腳表面膜層均存在腐蝕開裂，且裂紋呈現從內部向外部擴展的趨勢。

(a) 腐蝕形貌

對兩批引腳試樣的化學成分進行分析，見表1和表2?？梢钥闯觯嚇颖砻娓g嚴重區域的主要金屬元素為Fe、Sn和少量的Cu，非金屬元素為O及少量的C，且腐蝕產物發黃，判定為鐵銹的顏色，說明基底SPCC板材發生了腐蝕；表面腐蝕不明顯區域的主要金屬元素為Sn和少量Cu、Fe，非金屬元素為O及少量的C。鍍層有缺陷(針孔、劃傷)不完整時，Sn、Cu的電極電位高于Fe的， Fe作為陽極，形成微電池會加速腐蝕[6-7]。

表1 腐蝕變色品引腳表面成分EDS結果Tab. 1 Samples′ composition of different areas %

表2 未腐蝕引腳試樣表面EDS分析結果Tab. 2 Samples′ composition of different areas %

試樣表面白色物質[圖2(a)藍框區域]以非金屬元素C、O及金屬元素Fe為主，含少量Si、Al，根據樣品來源單位說明，表面白色物質來源于黑色板材和引腳之間的灰膠，少量Fe源于引腳表面的腐蝕產物。

無明顯腐蝕區域未檢測到Fe元素，但存在Cu元素，說明Cu鍍層因表面Sn膜層被破壞或者腐蝕而裸露出來，但腐蝕并未到達基材，所以引腳表面無明顯黃色物質。

1.3 顯微紅外光譜FTIR分析

變色試樣腐蝕區域存在一定量的C/O，利用顯微紅外光譜儀進行成分分析。由圖4可見：兩個腐蝕區域[圖2(a)方框處]的腐蝕產物FTIR光譜均呈無機氧化物的峰，可以排除有機物的存在，即可排除灰膠引起引腳表面鍍層腐蝕。

(a) 輕微腐蝕

1.4 截面分析

由圖5可見：變色試樣表面鍍層分布相對均勻，且鍍層銜接結合比較完整，從外層到內層的鍍層元素依次為Sn，Cu，Fe，這與技術規范中鍍層結構要求一致。

(a) 鍍層截面 (b) 圖5(a)局部放大 (c) 截面能譜圖

由圖6可見：變色試樣表面鍍層存在鼓包、鼓起，破裂等腐蝕區域，以及相對完整的區域。由圖7可見：鍍層與基底板材結合接口存在問題。在鼓起破裂部位，Fe基材與鍍層界面存在O元素，O含量較高，且Fe基材不平整，存在氧化腐蝕痕跡；在相對完整區域，鍍Sn層中夾雜C元素，幾乎沒有O的存在，排除有機物的存在。

(a) 腐蝕鍍層截面 (b) 鍍層未破損區 (c) 鍍層破損區

(a) 鍍層破損區 (b) 鍍層鼓包區 (c) 鍍層未破損區

2 討論

綜合鍍層表面及截面微觀分析，能譜分析結果，鍍層本身存在缺陷，致密性不完整,導致環境中的氧、水分進入鍍層內部，與基材接觸，發生氧化腐蝕。而鍍層金屬元素[7]Sn、Cu及鍍層雜質[8]元素C標準電極電位高于基材Fe元素的，存在電勢差，形成微電池效應[6,9]，加速Fe氧化腐蝕，鍍層開始鼓起，當基材腐蝕產物達到一定程度，鍍層發生鼓起破裂、脫落。

3 結論

散熱片試樣引腳邊緣腐蝕較為嚴重，表面黃色物質含有Fe，Sn，Cu，O等元素，以氧化物為主。外界環境中的氧氣、水分通過孔隙、裂紋等表面缺陷，侵入鍍層與基材接觸，使Fe發生氧化反應。鍍層金屬Sn、Cu及非金屬C夾雜與Fe形成微電池效應，加速基材氧化腐蝕。

建議改善鍍層工藝，選擇合適的鍍層厚度工藝及結構，提高鍍層防腐蝕能力；或者選擇合適的封孔后處理方式，提高膜層完整性及致密性。