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1、电子材料与电子元器件腐蚀电子材料与电子元器件腐蚀 材料二楼材料二楼301 65643648 蒋益明蒋益明 主要内容主要内容 电子材料与器件的可靠性 电子材料与器件的失效分析 电子材料与器件的腐蚀形态 应用举例 电子材料与电子元器件电子材料与电子元器件 IT产品：3C-计算机(Computer) 通信(Communication) 家用电器(Consumer electronics) 基板及元器件和连接部分“堆垛”而成 最基本单元:材料材料+ +元器件元器件 电子材料:发挥其物理化学特性用于IT工业的材料材料 性能：声 光 电 力 热 磁 分类：半导体材料、介电材料、压电及铁电材料、磁性材料、
2、 某些金属材料、高分子材料 电子元器件:电子材料经特殊工艺,在IT产品中起各种作 用的电子部件电子部件 集成电路器件 显示器件 传感器件 电池 电子元器件的可靠性电子元器件的可靠性 可靠性:产品在规定的条件规定的条件下和规定的时间规定的时间内, 完成规定功能规定功能的能力 规定条件：环境条件（温度、湿度、气压、盐 雾、辐射、振动、冲击、碰撞、跌落等）、负 荷条件（电、热、力等应力）和工作方式（连 续或间断） 规定时间：可靠性是时间的函数 电子元器件的失效规律电子元器件的失效规律 早期失效：失效率高，实效率随时间增加而下降，由特定的普 遍性原因造成 偶然失效：失效率低，良好使用阶段，失效是由不太
3、严重的偶 然因素引起 损耗失效：失效率明显上升，大部分器件相继失效，失效是由 带全局性的原因引起（老化、磨损、耗损、疲劳等）造成 器件的设计、制造应使其器件的设计、制造应使其尽快进入偶然失效期尽快进入偶然失效期，推迟损耗推迟损耗 失效期失效期的到来的到来 电子元器件的失效分析电子元器件的失效分析 器件失效后，通过对其结构、使用和技术文件的系统研究，鉴别器件失效后，通过对其结构、使用和技术文件的系统研究，鉴别失失 效模式效模式、确定、确定失效原因失效原因、机理机理和和失效演变失效演变的过程的过程 失效分析研究的内容失效分析研究的内容 050100150200250300 0.000 0.001
4、0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 Current /A cm2 time /s 什么什么 怎么怎么 为什么为什么 What Failed? How did it Failed? Why did it Failed? 器件失效（氧化层器件失效（氧化层 击穿，管脚蚀断等）击穿，管脚蚀断等） 特定条件下，性能特定条件下，性能 变化的特定规律变化的特定规律 判定退化机制及其判定退化机制及其 对器件性能的影响对器件性能的影响 器件失效分析的研究内容器件失效分析的研究内容 失效情况调查失效情况调查 失效模式鉴别失效模式鉴别 失效特征描述失效特征描述 假设失
5、效机理假设失效机理 证实失效机理证实失效机理 提出纠正措施提出纠正措施 新的失效因素考虑新的失效因素考虑 开路开路 无功能无功能 功能退化功能退化 重测合格重测合格 结构不好结构不好 最常见的有：烧毁、管壳漏气、管腿蚀断、芯片粘合不良、 表面腐蚀、漏电、击穿等 失效分析的基本内容失效分析的基本内容 失效模式（形式）失效模式（形式） 短路短路 主要失效机理主要失效机理 器件失效的器件失效的实质原因实质原因：引起器件失效的物理或化学过程：引起器件失效的物理或化学过程 设计问题引设计问题引 起的缺陷起的缺陷 体内退化体内退化 机理机理 氧化层氧化层 缺陷缺陷 金属化系统金属化系统 退化退化 封装退化
6、封装退化 机理机理 版图版图 工艺方案工艺方案 电路和结构电路和结构 二次击穿二次击穿 重金属污染重金属污染 材料缺陷材料缺陷 针孔针孔 厚度不均厚度不均 介质击穿介质击穿 扩散扩散 电迁移电迁移 铝腐蚀铝腐蚀 过电应力过电应力 蚀断蚀断 管腿腐蚀管腿腐蚀 管腿损伤管腿损伤 漏气漏气 封装开裂封装开裂 外来物外来物 电子器件的失效分析电子器件的失效分析 半导体物理学半导体物理学 半导体工艺学半导体工艺学 材料学材料学 化学化学 冶金学冶金学 电子学电子学 环境工程学环境工程学 系统工程学系统工程学 失效发生期与失效机理的关系失效发生期与失效机理的关系 早期失效 设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛
7、选不充分 随机失效 静电损伤、过电损伤 有明显的突发性 损耗失效 元器件老化 疲劳断裂疲劳断裂 磨损磨损 腐蚀腐蚀 扩散扩散 熔断熔断 材料或器件失效材料或器件失效 电子材料与器件的腐蚀电子材料与器件的腐蚀 电子器件的腐蚀主要是大气腐蚀 腐蚀形式 均匀腐蚀 点腐蚀 电偶腐蚀 晶间腐蚀 应力作用下的腐蚀 缝隙腐蚀 微生物腐蚀 电子器件与环境电子器件与环境 分 类 失效原因 失效模式 环境条件 材料 水 气 吸 附 吸 收 扩散 水解 微细爆裂 膨胀、绝缘 性差、潮解 化学变化 湿气渗透、 绝缘性差 湿度 湿度+温度 湿度+冲击 封装、覆 盖或者构 造元件 聚碳酸酯、 对苯二甲 酸丁二酯 腐 蚀
8、电池腐蚀 电解腐蚀 裂隙腐蚀 应力腐蚀 氢脆 颜色变化 阻抗增加 开路 破坏 湿度+金属 湿度+电场 湿度 氨、氨化物 酸浴 电阻 封装集成 电路的树 脂、合金 迁 移 离子迁移 短路 绝缘性变差 湿度+直流 电场 金属离子 湿度 19% 震动 27% 高度 2% 沙尘 6% 盐雾 4% 冲击 2% 温度 40% 环境应力因素特点及其腐蚀效应环境应力因素特点及其腐蚀效应 温度 温度每提高10化学反应速率就增加1倍 当环境温度上升10时，产品的寿命就减少一半 低温 在低温环境中低应力脆断现象引起设备失效如铜、 钼、锌、钛、镁 低温下水汽凝结，污染物的溶解 低温收缩 环境应力因素特点及其腐蚀效应环
9、境应力因素特点及其腐蚀效应 温度循环 材料热胀、冷缩的程度不同，形成强大内应力，引 起应力腐蚀 焊点的疲劳、蠕变 湿度 吸附在金属材料表面的水汽会加速腐蚀速率 吸附在材料表面的水汽会促进霉菌的生长 湿气加速金属离子的电迁移 环境应力因素特点及其腐蚀效应环境应力因素特点及其腐蚀效应 盐雾 引起器件中金属引线、焊料的电化学腐蚀 起腐蚀作用的盐主要是氯化物盐，硝酸盐，磷酸盐 等，其腐蚀模型为原电池模型 低电位的金属为阳极，其反应为： AAn+ +ne- 高电位的阴极处发生析氢反应或氧去极化反应： 铝、铁、锌等析氢反应 2H+2e2HH2 铁、镍、银、铜等氧去极化反应 O2+4H+4eH2O O2+2
10、H2O+4e4OH- 锡可能发生点蚀或引起接触金属的氧去极化反应 应用举例应用举例1 1- -OLEDOLED电极引线腐蚀电极引线腐蚀 电极引线 连接电压驱动与发光 器件间的电极 腐蚀导致断路，器件 失效 结构： ITO 150nm Cr 300nm 光刻条纹22 m Cr层的作用： 提高引线电导率 致密的表面氧化层 OLED电极引线腐蚀电极引线腐蚀 OLEDOLED电极引线腐蚀产物电极引线腐蚀产物 5 m 引线引线XRD谱谱(a:未腐蚀，未腐蚀，b:腐蚀）腐蚀） 引线引线XPS谱谱(a:未腐蚀，未腐蚀，b:腐蚀）腐蚀） OLEDOLED电极引线腐蚀产物电极引线腐蚀产物 Spot CNat/%
11、 COat /% CNaat /% CMgat /% CAlat /% CSiat /% CCaat /% CInat /% CCrat /% 53.78 7.08 2.96 1.88 31.48 2.82 52.03 8.00 3.09 1.93 32.02 2.92 22.72 21.51 3.17 1.02 15.44 36.14 18.66 30.89 0.43 0.56 1.09 3.99 44.38 200 m 5 m 1 m 腐蚀引线样品(b)局部SEM形貌 腐蚀引线样品腐蚀引线样品(b)不同区域的不同区域的EDX结果结果 OLEDOLED电极引线腐蚀过程电极引线腐蚀过程 氯离子
12、会导致Cr的钝化破裂 电极反应： 阳极：Cr-3eCr3+ 阴极：O2+2H2O+4e4OH- Cr层腐蚀，蚀断处压差变大， 当阳极电位较高时，Cr发生过 钝化溶解，以正六价态形式溶入 溶液 随着电位增大，腐蚀速率提高， Cr层加速溶解，进一步增大Cr 层的电阻，增大蚀断处两端的电 压差。正反馈 引线样品在不同溶液中的极化曲线 电极引线简化模型 应用举例应用举例2 2- -封装器件腐蚀封装器件腐蚀 功率器件封装结构示意图 分层器件的扫描超声显微镜照片 富铅相富铅相 富锡相富锡相 Element Wt% At% Sn 28.61 41.16 Pb 71.39 58.84 腐蚀过程分析腐蚀过程分析
13、 初始裂纹的产生 湿热老化试验过程中，水汽从粘接面边缘侵入，在热应力及 水汽压力共同作用下，EMC-铜基板粘接面发生断裂形成裂纹， 水汽进一步侵入封装体内部形成连续的水膜。 第二阶段：铜在水汽氛围中的缝隙腐蚀 Cu-H2O体系发生如下的电极反应： 阳极：2Cu 2Cu2+4e 2Cu2+4OH- Cu(OH)2 阴极：O2+2H2O+4e 4OH- 第三阶段：Cu-SnPb共晶钎料的电偶腐蚀 锡铅共晶钎料中的富铅相不断被溶解，Pb2+在水溶液中发生 迁移，与Cu表面的OH-结合并在此沉积。水中溶解的微量 CO2会使腐蚀过程加速，并与Pb(OH)2结合形成碱式碳酸铅 电子器件防腐蚀措施电子器件防腐蚀措施 应用过程（尤其是安装、存储过程） 器件保护 不受过大的水汽、腐蚀性气体、化学试剂以 及机械应力侵害 制造过程 采取适当的工艺手段提高引线的腐蚀抗力 电镀质量 耐蚀涂层 耐蚀材料 清除污染 严格检验
