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深度解读金属离子迁移现象

导读: 金属离子迁移的定义在电极间由于吸湿和结露等作用,吸附水分后加入电场时,金属离子从一个金属电极向另一个金属电极移动,析出金属或化合物的现象称为离子迁移。

一、金属离子迁移的定义和分类

1、金属离子迁移的定义在电极间由于吸湿和结露等作用,吸附水分后加入电场时,金属离子从一个金属电极向另一个金属电极移动,析出金属或化合物的现象称为离子迁移。离子迁移现象起因于一种与溶液和电位等相关的电化学现象,整个迁移过程可分为:阳极反应(金属溶解过程)→金属离子的移动过程→阴极反应(金属或金属氧化物析出过程)。特别是在金属溶解过程中,在钎料等金属中加入其他成分金属所组成的合金材料,由于两种金属表面结构状态的不同,导致钝态膜的形成位置及电极电位的溶解特性不同。有些学者指出:电化学可靠性主要由免清洗产品的残留助焊剂对电迁移的抵抗力和树枝晶生长的抵抗力所决定。在使用免清洗助焊剂的产品中,焊接后残留的助焊剂会留在PCB上。在产品的服役过程中,导致表面绝缘电阻下降。如果出现电迁移和树枝晶生长,就可能由于在导体之间出现短路而造成严重的失效。

2、金属离子迁移的分类金属离子迁移根据其发生形态可分成枝晶生长(Dendrite)和导电阳极细丝(CAF)两大类。所谓的枝晶就是根据PCB的绝缘表面析出的金属或其氧化物呈树枝状而命名的,如Ag的迁移现象。而CAF则是根据沿着PCB的绝缘基板内部的玻璃纤维,析出的金属或其氧化物呈纤维状延伸而命名的。

二、Ag离子迁移现象

1、Ag离子迁移现象的发现(1)Ag离子的迁移现象是1954年由美国贝尔研究所的D.E.YOST把它作为PCB的一个问题提出来的。在该报告中介绍了在电话交换机或电子计算机等所使用的端子上的Ag,在绝缘板上溶解析出,由离子电导使绝缘遭到破坏的案例。在PCBA上应用Ag的场合如下:① PCB上的印制导线及图形采用电镀或还原镀工艺涂敷的Ag层;② 引线和端子采用Ag镀层的元器件;③ 为改善PCB导体的外观、可焊性和导电性等为目的的Ag镀层;④ 含Ag的钎料。特别是在场合③的情况下,Ag不只是覆盖在导体的表面,而且在导体的侧壁也有附着。而这在PCB上留下了日后Ag迁移的危险隐患。(2)离子迁移发生过程可分为:●阳极反应(金属溶解);●阴极反应(金属或金属氧化物析出);●电极间发生的反应(金属氧化物析出)。电子材料的离子迁移是由与溶液和电位有关的电化学现象所引起的,与从金属溶解反应、扩散和电泳中产生的金属离子移动反应及析出反应有关。特别是在高密度组装的电子设备中,材料及周围环境相互影响导致离子迁移发生而引起电特性的变化,已成为故障的原因。金属离子的迁移现象,最典型的是Ag离子的迁移。

2、Ag离子的迁移机理1)Ag离子迁移发生的条件在PCB上含Ag的电极间由于吸湿和结露等作用吸附水分后再加入电场时,金属Ag从一个电极向另一个电极移动,析出Ag或化合物的现象称为Ag离子迁移。显然Ag离子迁移发生的前提是:(1)必须在两电极间的绝缘物表面或内部存在着导电性或导电的湿气薄膜;(2)在两电极间施加了直流电压。2)Ag离子迁移发生机理和阳极反应Ag离子的迁移是电化腐蚀的特殊现象。它的发生机理是当在绝缘基板上的Ag电极(镀Ag引脚或镀Ag的PCB布线)间加上直流电压时,当绝缘板吸附了水分或含有卤素元素等时,阳极被电离,如图1所示。

图1Ag离子迁移

机理水(H2O)在电场作用下被电离:H2OOH-+H+H+移向阴极从阴极上获得电子变氢气(H2)向空间逸放掉,而OH-则返向移向阳极,把阳极银溶解形成氢氧化银,其化学反应式为AgAg++e(氧化反应)Ag++OH-AgOH(还原反应)由电化学反应生成的AgOH是不稳定的,很容易和空气中的氧或合成树脂中的基团反应,在阳极侧生成氧化银。2AgOHAg2O+H2O假如阳极侧不断地被溶蚀,氧化银不断地成长,直到抵达阴极时,便从阴极侧被还原而析出Ag,其反应如下:Ag2O+H2O2AgOH2Ag++2OH-由于上述反应是不断循环的,故Ag2O不断地从阳极向阴极方向成树枝状生长,Ag2O在阴极不断地被还原而析出Ag。Ag的迁移现象不仅沿着绝缘基板的表面发生,而且也会沿着基板的厚度方向发生,如图2所示。

图2 Ag离子沿厚度方向迁移

图3 Ag离子沿表面及厚度方向的迁移现象

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