电子元器件银离子迁移评价方法的探究

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1、电子元器件银离子迁移评价方法的探究鲍建科【摘 要】随着电子设备变得更小、更轻、更先进,使用环境更加恶劣,发生银离子迁 移的几率也比以往更大.本文在详细介绍银离子迁移现象、机理的同时,全面分析了 影响银离子迁移的各类因素,得出评价银离子迁移切实可行的加速试验方法和时间 公式,有效地缩短了评价时间.根据经验总结了故障解析的流程以及银离子迁移的发 生条件,提出了在银离子迁移过程的每一个步骤中采取措施的策略,防止迁移的再发 生.期刊名称】家电科技年(卷),期】2018(000)007【总页数】5页(P84-87,90)关键词】 银离子迁移;加速试验;故障解析;再发防止作 者】 鲍建科作者单位】 松下家

2、电研究开发(杭州)有限公司 浙江杭州 310018正文语种】 中 文1 引言 业内通常将迁移称为金属原子的移动现象，并且将银作为电极材料使用时，银离子 引起的迁移一直被认为是绝缘劣化的主要原因。根据文献，贝尔实验室最早在 1955年报道称，在电话交换机的连接件中，有些镀铜接线柱上的银在酚醛树脂内 被检出，证实了银离子迁移的存在。尽管这是一个长期以来被普遍认知的现象，即 使它的发生机制也是已知的，但仍然是电子设备故障中最重要的故障之一。其原因 大概为：随着电子设备变得更小、更轻、更先进，电子部品的使用也明显减小了重 量、厚度和尺寸，封装密度更高，另外，由于电子设备的使用环境变化多样以及由 于环境

3、法规等原因不得不使用新材料。这些因素诱发的离子迁移越来越严重，防止 离子迁移变得更加重要。2 迁移2.1 迁移的现象 迁移是材料表面或者内部的金属离子的移动现象，结果将造成回路的短路或断路等 广义上，迁移大致分为三类：离子迁移、电迁移和应力迁移。其中离子迁移现象如 图1 所示。从狭义上讲，离子迁移即是迁移。2.2 迁移的分类2.2.1 离子迁移 电子回路中的基本应力是电压、温度、湿度和压力，其中，除了压力外的其他三个 应力是电气、化学相关可靠性中最基本、最重要的因素。迁移正是由这三个应力引 起的端子之间接续的短路或者不良的开路。也就是说，绝缘材料置于 2 个导体之 间，并且在高温高湿环境下印加

4、电压时，导体金属被直流电场影响、移动，离子化 的金属向阴极移动，并在阴极还原，然后成长并连接导体，使导体间短路的现象， 或者，被移动部分的导体消失导致断路。引起离子迁移的金属不限于银，还有相当多已知的金属和合金。并且引起迁移的速 度的次序大致如下：AgCuSn Au以下是对迄今为止所报道的各种金属是否能够发生离子迁移的总结:(1) 在蒸馏水中施加电压就很容易产生迁移的金属有Ag和Cu的电极材料，以 及Pb、Sn和Pb-Sn合金焊料，Bi、Cd的钎焊材料。(2) Au、Pd、Pt在上述环境中，加入NaCI和KCI等卤化物后可能发生离子迁 移。(3) Al、Fe、Cr等金属材料即使在上述环境中也不

5、会发生离子迁移。2.2.2 电迁移当具有高电流密度的直流电流流入薄膜导体中时，由于电场作用引起金属离子产生 定向运动，即金属离子的电迁移现象。电迁移也伴随着质量的运输，所谓金属电迁 移失效，通常是指金属层因金属离子的迁移在局部由质量堆积(Pileup )而出现小 丘(Hillocks )或晶须(Whisker)或由质量亏损出现空洞(Voids )而造成的器 件互连性能退化或失效。通常在高温、强电场下引起。电迁移的现象，通常一般的导线是不大可能发生的，而经常发生在集成电路内部。 一般导线和集成电路内部配线的区别主要是：一般导线的电流密度是 103A/cm2， 集成电路内部配线的电流密度是105A

6、/cm2，两者相差约100倍的电流密度。2.2.3 应力迁移 应力迁移是影响集成电路金属配线可靠性的缺陷之一，在1984年的国际可靠性 物理论丛(International Reliability Physics Symposium )初次报告中，由于 配线的细微化(23pm以下的Al配线)，因为Al配线和绝缘膜(SiO2 )的热 膨胀率差异很大(dAl=2.5x107/ K,dSiO2=0.5x106/K),高温放置或者温 度循环后将引起热应力缺陷。这是和电迁移不同的配线不通电下引起的不良类型。2.2.4 各类迁移比较 离子迁移、电迁移、应力迁移等三种迁移现象的比较见表1所示。 3银离子发生

7、的机理 银往往导致离子迁移最多，其发生的机理是由下面的化学反应引起的。(1) 水分的存在下施加直流电压，阳极端发生Ag溶解，阴极产生H2 :(2 )阳极附近Ag+和OH-反应，生成氢氧化银AgOH :(3 )不稳定的氢氧化银AgOH分解生成胶状暗褐色的氧化银：(4) 氧化银进一步反应生成 Ag:(5 )在重复上述反应的同时，Ag迁移到阴极并沉淀，这种迁移朝阳极以树枝状生长，最终形成短路。以上现象过程可用图2形象的表示。4 加速试验方法4.1 试验的目的尽管离子迁移的条件很简单，但是近年来电子设备构造、部品、材料、实装工法及 其使用环境发生了很大的变化，如表2所示，随之引起了新的问题： 即使过去

8、已经被承认的部品、材料、回路，由于产品的型号和用途的改变也可能导 致失效。如此，过去经验的参考价值变得越来越低，有必要利用加速试验快速获得 离子迁移评价结果。4.2 适用范围这个试验的建立是为了评估一般家庭内使用的电气部品和电子部品，但是，受到助 焊剂、印刷电路板材料的影响，部品应该在印刷电路板的完成品的状态下实施评价。4.3 样品迁移可能会根据涂层的状态，电极之间的污染物，基材的材料不同等引起发生情况 的巨大变化。为了使再现性更加可靠，需要准备与量产时相同的设备，工法，材料， 加工条件下制造的部品。最佳的是准备厂家极限制造条件的样品，一般取样品数量10个以上。4.4 试验条件 以下因素可以视

9、为迁移的加速因素：图1 离子迁移现象图图2 银离子迁移的发生机理图图3 银离子迁移的湿度依存性图4 银离子迁移的电压依存性（1）温度和相对湿度；（2）印加的电压和电极间的距离；（3）发生迁移的来源物质；（4）绝缘物质的水分的吸着量和吸湿率。 但是，如果决定了部品的材料、构造，那么作为测试条件，可以限定为温度、湿度 和施加电压。迁移时金属的电化学反应，从液相到固相的物质传输现象。因此，温 度、湿度和电压越高，迁移的增长率越高。4.4.1 温度条件 尽管可以通过升高温度来提高加速度系数，但如果太高，则再现性效果较差。例如 在90工的温度条件下，存在银镀层的底层金属腐蚀并且银的移动不稳定的情况。 因

10、此，参照JIS C 7022的温度条件，决定采用602C。4.4.2 湿度条件 与温度一样，可以通过增加湿度来增加加速因子。图3显示了在酚醛树脂基板上 10mm 间距的电极之间施加恒定电压时，湿度条件和银迁移生长速率的实验结果。 如果湿度增加，则生长速度加快，但当湿度过高，测试温度改变时则容易发生结露，使得评估困难。参照JIS C 7022的湿度条件，决定采用905%作为本次试验的 适度条件。4.4.3 印加电压 关于银离子迁移的电压依赖性的许多测试结果已经公开，但是由于不同的测试条件， 电极材料，电极形状等，电压的加速系数会有偏差。以下电压依赖性的测试结果可以作为参考。酚醛树脂基板施加电压（

11、电极间距离10mm ）与银离子移行量的关系如图4所示，随着电压上升，移行量增加，但如 果上升到约50V以上后，电压的增加对移行量增加不明显。一般离子迁移的成长速度和印加电压的强度有以下的规律倾向：（1）低电压（电极材料氧化电压以下）的范围：几乎不发生迁移；（2）电极材料氧化电压以上的电压范围：移行量几乎与电压强度成正比例；（3）高于一定水平的高电压范围：出现饱和倾向。如上所述，每个节点处的电压取决于样品，电压引起的加速系数不能一概而论，因 此在测试方法中使用额定工作电压是合理的选择。另外，由于需要加速试验，所以 可以依据在节点（2）的电压范围内，利用提高电压的方法进行加速试验。但是， 如果电压

12、过高，可能无法获得加速因子，例如由于部件破坏或发热而导致附着的水 分蒸发的影响，所以一般应限制在额定电压两倍的范围内。4.4.4 试验时间有报道说，在额定工作电压，60工温度，90%湿度的条件下进行银-巴电极的市场不良的再现试验，获得了约40 60倍的加速系数。若加速系数考虑为40倍，使 用寿命7年（每天通电时间8小时） ，即测试时间约500小时。另外，也有许多 评估迁移试验将时间条件设定为500小时。基于此，本次加速试验方法也是基于 500小时的测试时间。但是，为了确保在连续通电状态下使用的部品具有更高的 可靠性，最好将试验时间延长到 1000 小时。因此，采用电压加速度时的试验时间 可以按

13、以下公式计算：5 银离子迁移故障的解析下述内容为对应细微化部件的银离子迁移的故障解析而策定的流程，可以作为故障 发生时技术解决和对策的方案。虽然，迁移的发生机制在电气化学上解释是很容易 的，但现实中因为其原因复杂，所以彻底的防止对策是很困难的。因此特定条件下 的评价十分重要，必须切实地看清迁移发生的原因，同时制定防止再次发生的对策 步骤1：在部品选型阶段，需要率先实施离子迁移评价试验，推荐条件：60工、 90%RH、额定电压、500h以上，绝缘电阻108Q以上。应确保绝缘电阻不发生 劣化。试验数据应保留，作为今后发生不良时的参考。步骤2 ：在制造设计阶段、新产品开发和量产（构造和材质变更）阶段

14、以及市场应 对阶段中，任何阶段发生不良时，应首先收集以下情报：表1三种迁移现象的比较一览表分类形态故障模式代表材料容易的发生条件离子迁移例：40工、90%RH下,0.1-0.001摩尔浓度的NaCI和KCI溶液中施加 直流电压电迁移短路开路Ag Sn Pb开路Al例：175C、2x106A/cm2应力迁移 开路AI例：100C以上高温（不通电）表2电子设备的市场动向和课题分类动向课题电子设备环境空调普及、ON/OFF频繁携带式需求的增加使用层扩大（年龄、职业）结露污染构造小 型化（绝缘距离小）低消耗电力（自发热小）密闭性（水、蒸汽入侵）耐湿性 耐结露性下降部品材料小型化（绝缘距离小）复合化（应

15、力施加）新材料（腐 蚀性气体）材料工法变更（基本的信赖性变化）耐湿性耐结露性下降部品材 料影响变大污染物附着实装组立助焊剂（活性剂、有机成分）洗净（无洗净、 溶剂变更、残留）实装工法（加热温度、时间）拿取（不带手套、保管条件） 工程原因造成的劣化污染物质附着 表3 离子迁移发生的原因和对策发生原因对策电极 材质变更、电镀、表面涂覆水 分湿度通气、干燥、疏水性、打蜡处理、无机或者有机的防湿材料电压低电压 化、电极间距变大不纯物质防止附着、洗净、高纯度化温度 低温度化（1）商品及部品的型号、批号、不良发生日期等；（2）实装及使用条件明确化，比如实装的条件（焊接方法，条件，洗净方法）， 有没有施加 DC 电压等；（3）使用环境明确化，温度、湿度、腐蚀性气体有无，结露有无；（4）工程设计和条件变更点的明确化：组成、工法、焊盘间距、材质等。步骤 3：利用再现性试验，对绝缘电阻劣化的进程进行确认，进而实现故障模式的 判定。再现性试验可根据使用环境，选择结露循环试验、高温高湿试验或者气体腐 蚀试验等。绝缘电阻劣化的进程确认，可以使用V-I特性评价等手段。步骤 4：故障固所的微观解析。运用红外热像仪确定发热的固所；运用光学显微镜SEM观测、X射线等对特定的固所进行观测。运用ICPFT-IREDAX等实现对不纯物分析。步骤 5：故障原因、机理的推定和究明，对再现性试验样品和实际不良品进行以