表面處理工藝對基板表面金屬元素電化學遷移的影響分析

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）

近年來電子產品和相關技術發展非常迅速，電子產品的尺寸越來越小，精度也越來越高，這給電子產品的可靠性產生一定的影響。在大量的可靠性因素中，電化學遷移會產生腐蝕，對電子產品的零部件產生很大的影響。電化學遷移是在相鄰的電極中，電極金屬會發生溶解情況，進入到介質在，遷移到電極。在這個環節中，會發生化學沉積問題，導致晶枝結構的產生。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，結合電化學遷移問題，有效的抵抗了電化學遷移。

1 相關試驗

（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、浸鈀金和化學鎳金處理。相關的行業提供了金屬表面絕緣電阻的測試結果，在設計中，電極的寬度設計為3mm，長度為5mm，電極之間的距離設計為0.4mm。設計出電路圖后，基板底層導電銅的厚度一般為2μm，浸鈀金表面的厚度為1μm，化學鎳金厚度為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，分析電化學遷移問題。結合試驗電路分析，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，從而對電化學遷移的敏感程度進行測試。通過光學顯微鏡的觀察，采用Bench Vue軟件對測試的數據進行收集。在試驗完成后，將樣品風干，然后采用掃描電鏡進行元素分析。

2 結果討論

（1）有機保護膜與浸鈀金試樣。采用了有機保護膜后，電化學會經過第一階段，在這個階段，金屬陽極在氧化還原反應的基礎上會出現氣泡，溶解速度非常劇烈。經過30s后，在第二階段，在陰極的邊緣處產生少量黑色樹枝狀的結構，并且結構朝著陽極的方向延伸。在電化學遷移的第三階段，出現一個晶狀樹結構，并且一直延伸到陽極。在試驗進行到一分鐘后，電阻下降，并且出現短路。

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

通過上述過程的分析，可以看到影響電化學遷移速度的因素主要有金屬氧化物在溶液中的溶解速度，而且在金屬發生電解的環節中，會生成標準電化學位。

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

在進行浸鈀金試樣中，也要結合經典模型的方式。在對金屬元素的樹突結構進行分析后，發現在浸鈀金試樣中，只有部分金屬出現了電化學遷移。陽極區域具有大量的銅元素，在陽極上金屬遷移，所以導致原有的銅元素裸露出來。結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遷移的效果是最好的。

（2）化學鎳金試樣。在采用了化學鎳金試樣后，再結合經典化學遷移模型后，發現二者的結論存在差異。在第一階段，陰極和陽極都產生了大量的氣泡，黑色的沉淀物附著在陽極上，在陰極的附近發現有晶枝樹突結構。在化學鎳金實驗后，發現在電極的陽極處出現了大量的灰綠色沉淀物。

在陽極區域主要產生鎳元素，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遷移中。銅元素與晶枝結構分布在一起，說明晶枝結構主要由銅元素構成。在化學鎳金中，鎳元素含量比較多，也會產生晶枝結構，說明在試驗中也發生了銅元素的遷移。金屬鎳會產生非常明顯的電化學遷移的問題，在第一階段會呈現陽極的溶解。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，鎳離子還會發生反應，生成氧化亞鎳，其顏色為綠色。在陽極處會生成黑色的物質，這些物質鎳的氧化物和氰化物的結合體。在化學鎳金試樣中，只有當溶液中含有氯離子時，才會發生遷移?；瘜W鎳金試樣分析后，在陽極晶枝的導電性非常差，晶枝會在正極的邊緣處聚集，導致試驗時間的延長。在不能對電阻兩端進行保護的情況下，電壓如果大于1V就會導致試驗失效的情況。在對化學鎳金試樣試驗總結中，對電阻兩端的電壓分布情況進行分析，發現樹脂基板抵抗電化學遷移的能力最強。

有機保護膜和浸鈀金試樣中分析電化學遷移現象，應該結合經典模型的結論，在浸鈀金試樣中，發生了金屬的遷移，但是銅并沒有發生任何的遷移。在化學鎳金試樣中，主要是鎳的氧化物發生遷移，并且移動到陽極區域。也有的化學鎳金試樣在試驗后出現金屬銅的遷移現象，說明化學鎳金試樣在長時間下容易發生化學性質的變化。

3 結語

在金屬表面處理中，采用有機保護膜和浸鈀金的方式，結合經典化學遷移模型，采用化學鎳金表面處理后，結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遷移的能力最強。