表面处理工艺对基板表面金属元素电化学迁移的影响分析

张新贞

（福建百骏之星未来科技有限公司弯刀实验室，福建 福州 350014）

近年来电子产品和相关技术发展非常迅速，电子产品的尺寸越来越小，精度也越来越高，这给电子产品的可靠性产生一定的影响。在大量的可靠性因素中，电化学迁移会产生腐蚀，对电子产品的零部件产生很大的影响。电化学迁移是在相邻的电极中，电极金属会发生溶解情况，进入到介质在，迁移到电极。在这个环节中，会发生化学沉积问题，导致晶枝结构的产生。通过有机保焊膜的方式，可以对电路板的表面进行处理，可以提升金属表面的耐摩擦效果。本文采用了有机保焊膜和浸钯金进行表面处理，结合电化学迁移问题，有效的抵抗了电化学迁移。

1 相关试验

（1）试样分析。试验基本是选用FR-4基板，陶瓷基板和树脂基板，将其分别编号为1,2,3，在三种基板上都采用表面处理工艺。分别采用有机保焊膜、浸钯金和化学镍金处理。相关的行业提供了金属表面绝缘电阻的测试结果，在设计中，电极的宽度设计为3mm，长度为5mm，电极之间的距离设计为0.4mm。设计出电路图后，基板底层导电铜的厚度一般为2μm，浸钯金表面的厚度为1μm，化学镍金厚度为4μm，上层金的厚度为0.06μm。

（2）试验方法。本次研究采用水滴试验的方式，借助水滴试验的方式，对不同材料的表面进行处理，分析电化学迁移问题。结合试验电路分析，对电阻进行保护，将电压表与电脑连接在一起，收集电压数值。在实验中，对试样的电阻值变化进行分析。在完成了组件的安装工作后，将1μL的去离子水配置，将其放置在电极的中央，然后将电路导通，当电阻两端的电压值超过1V就确定为失效，对电路失效的时间进行分析，对失效时间进行对比，从而对电化学迁移的敏感程度进行测试。通过光学显微镜的观察，采用Bench Vue软件对测试的数据进行收集。在试验完成后，将样品风干，然后采用扫描电镜进行元素分析。

2 结果讨论

（1）有机保护膜与浸钯金试样。采用了有机保护膜后，电化学会经过第一阶段，在这个阶段，金属阳极在氧化还原反应的基础上会出现气泡，溶解速度非常剧烈。经过30s后，在第二阶段，在阴极的边缘处产生少量黑色树枝状的结构，并且结构朝着阳极的方向延伸。在电化学迁移的第三阶段，出现一个晶状树结构，并且一直延伸到阳极。在试验进行到一分钟后，电阻下降，并且出现短路。

在采用有机保护膜后，电化学迁移的问题可以结合迁移模型进行分析，在电化学迁移发生后，需要结合三个非常关键的条件，金属元素是裸露的，并且溶液和介质之间出现电极差。金属铜作为电极，发生电化学迁移，也会产生剧烈的反应，与液体接触的阳极在电流的作用下发生了溶解现象。在第二阶段的反映中，在阳极溶解环节中，金属铜发生了氧化反应，在溶液中电解质存在一定的差异，在化学反应中产生了亚铜离子。在第三阶段进行中，在氢氧化铜溶解后，铜离子会出现移动，出现了电化学沉积的情况，将金属单质还原。由于化合物的稳定程度比较差，在溶液中分解成金属单质和金属化合物，这些单质和化合物具有很强的导电性能，有些金属不溶解，会在阴极区域聚集。在阴极会出现大量的晶状树结构，并且朝着阳极延伸，导致区域内阴极和阳极的绝缘电阻下降。当晶枝与阳极接通后，会导致短路。

通过上述过程的分析，可以看到影响电化学迁移速度的因素主要有金属氧化物在溶液中的溶解速度，而且在金属发生电解的环节中，会生成标准电化学位。

在上述因素中，会导致电化学迁移。强氧化物在溶液中溶解的速度与金属元素的标准电化学位具有密切的关系。在经过了有机保护膜处理后，FR-4基板对电化学迁移的抵抗力是最差的。在本次试验中，在1min以内电化学迁移就会导致电路板发生短路问题。在平时的工作环境中，如果环境潮湿，或者经常下雨，电子产品的电化学迁移失效时间会少于30s。

在进行浸钯金试样中，也要结合经典模型的方式。在对金属元素的树突结构进行分析后，发现在浸钯金试样中，只有部分金属出现了电化学迁移。阳极区域具有大量的铜元素，在阳极上金属迁移，所以导致原有的铜元素裸露出来。结合浸钯金工艺的方式，树脂基板、陶瓷基板和FR-4基板的平均失效时间分别是58s、44s和46s。说明树脂基板在采用浸钯金工艺后抵抗电化学迁移的效果是最好的。

（2）化学镍金试样。在采用了化学镍金试样后，再结合经典化学迁移模型后，发现二者的结论存在差异。在第一阶段，阴极和阳极都产生了大量的气泡，黑色的沉淀物附着在阳极上，在阴极的附近发现有晶枝树突结构。在化学镍金实验后，发现在电极的阳极处出现了大量的灰绿色沉淀物。

在阳极区域主要产生镍元素，在溶液中氢氧化物会沉淀。在阴极和阳极上分布金属元素，并且与电极的形状具有一致性，在试验中，镍金并没有参与到电化学迁移中。铜元素与晶枝结构分布在一起，说明晶枝结构主要由铜元素构成。在化学镍金中，镍元素含量比较多，也会产生晶枝结构，说明在试验中也发生了铜元素的迁移。金属镍会产生非常明显的电化学迁移的问题，在第一阶段会呈现阳极的溶解。氢氧化镍的颜色为绿色，并且可以溶于水，镍离子在水溶液中还会形成氧化物。在试验中，镍离子还会发生反应，生成氧化亚镍，其颜色为绿色。在阳极处会生成黑色的物质，这些物质镍的氧化物和氰化物的结合体。在化学镍金试样中，只有当溶液中含有氯离子时，才会发生迁移。化学镍金试样分析后，在阳极晶枝的导电性非常差，晶枝会在正极的边缘处聚集，导致试验时间的延长。在不能对电阻两端进行保护的情况下，电压如果大于1V就会导致试验失效的情况。在对化学镍金试样试验总结中，对电阻两端的电压分布情况进行分析，发现树脂基板抵抗电化学迁移的能力最强。

有机保护膜和浸钯金试样中分析电化学迁移现象，应该结合经典模型的结论，在浸钯金试样中，发生了金属的迁移，但是铜并没有发生任何的迁移。在化学镍金试样中，主要是镍的氧化物发生迁移，并且移动到阳极区域。也有的化学镍金试样在试验后出现金属铜的迁移现象，说明化学镍金试样在长时间下容易发生化学性质的变化。

3 结语

在金属表面处理中，采用有机保护膜和浸钯金的方式，结合经典化学迁移模型，采用化学镍金表面处理后，结合阳极晶枝生长模型。在采用浸钯金表面处理后，少量的铜参与到迁移中。三种工艺中，树脂基板的抗电化学迁移的能力最强。