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失效分析之电子篇：离子迁移失效分析
时间：2022-04-01 11:15:04
来源：上海机器人产业技术研究院
作者：小R
▍离子迁移及其危害
离子迁移是指PCB板线路上的金属在特定条件下发生离子化，并在电场作用下通过绝缘层向另一极迁移，离子迁移的出现将直接导致电路板绝缘性能下降。早在20世纪50年代美国贝尔实验室G.T.Kohman等人就提出离子迁移现象的存在，后来科研工作者通过大量试验和实践发现，不止金属银，PCB板中的锡、铜和铝等金属导体都可能发生离子迁移现象而导致电路板绝缘性能下降。
电路板的生命周期包含生产、储存、运输、使用等各个阶段，在整个生命周期内电路板遭遇高温潮湿或酸雨、盐雾等不利环境条件的情况不可避免，而潮湿的环境会促使电路板上的电子元器件发生电化学反应，大大增加了元器件腐蚀失效的概率。为了让大家进一步了解离子迁移失效，我们选取了一个典型的案例进行介绍。
▍离子迁移失效案例分享
1、失效背景
某电子产品使用一段时间后出现产品功能异常，产品使用过程中无跌落、撞击、振动、粉尘、温变等特殊环境，但客户有在浴室使用该电子产品的习惯。拆机对电路板进行电性能检测，确认电路板特定位置短路。
2、分析过程
对失效PCB板正反面进行显微镜检查，发现一颗电容器件的顶面有白色残留物，对该电容器件两端进行电性测试，发现电容两端短路，与厂家初步定位短路失效点位置吻合。将电容顶部白色异物微观放大，发现白色异物的微观形貌为枝蔓状晶体。
对白色枝蔓物质进行成分分析，发现器件顶部白色异物为锡沉积，即锡金属离子迁移至阴极后，被还原形成枝晶并向阳极方向生长，当枝晶接触到阳极时，枝晶将电容器件正负极连接导致器件短路。
选取枝蔓状晶体几个点做元素成分分析，枝晶主要成分为锡，同时检测出F、Cl、Br、S四种元素，即F-、Cl-、Br-、S2-阴离子的存在加速了枝晶形成。
3、失效机理
当绝缘体两端的金属之间存在直流电场时，在电场的作用下，金属两端电极形成电势差，导致作为阳极的一侧发生离子化并在电场作用下通过导通路径向另一边的金属（阴极）迁移，从而使绝缘体处于离子导电状态。显然，这将使绝缘体的绝缘性能下降甚至成为导体而造成短路故障。本案例电容器件上的枝晶生长原理：在水汽防护能力不足和离子物质较强污染的作用下，锡膏离子迁移形成了树枝状结晶物，导致了元器件短路失效。
随着当今电子装置的微型化、高度集成化以及工作环境的复杂化，电路板具有金属材料更加细薄、电场梯度更大的发展趋势。除此之外，电子产品使用过程中存在着多种复杂因素（温度场、电场、力场）的耦合，使得因离子迁移引起的电气故障比率越来越高。电化学腐蚀因为反应时间迅速，已经成为电子产品故障最重要的故障之一，避免电化学腐蚀已经成为电子产品厂家重点关注的项目。失效分析中心针对板级产品失效建立了完备的失效分析服务能力，助力企业快速定位产品失效点及导致失效的原因，为提升产品的可靠性质量提供数据支撑，欢迎感兴趣的朋友与我们联系交流。
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