电路板爬行腐蚀对云算及电子产品的挑战与威胁

进气 4种气体混合
气体1 气体2 气体3 气体4
滤池 pH：14
（中和）
图4 MFG测试气体腐蚀试验流程图
2 实验 2.1 气体腐蚀试验 2.1.1 气体腐蚀试验系统特征描述
气体腐蚀试验系统采用宜特科技气体腐蚀试验 系统，温度范围25 ℃～50 ℃； 湿度范围 70%～95% （RH）；流动方式为单一或混合气体；内部尺寸 50 mm×50 mm×50 mm。
Treatment ImAg抗氧沉银和HT OSP高温型有机保焊 膜）经过四种混和气体（H2S、SO2、NO2和Cl2）腐 蚀的加速试验后，所形成的爬行腐蚀现象。
在本次的研究中，通过铜片和银片实验前后的 质量分析计算出腐蚀速率，其结果再与CR（库伦 还原法）和切片量取腐蚀产物厚度的结果比对，验 证不同方法所得取的结果是否相符合。另外，也通 过SEM/EDS与u-XPS的材料分析方法，厘清Ag2S和 Cu2S的差异性。
2
表面处理
3
助焊剂残留
4
阻焊定义
5
锡膏覆盖
6
回流焊
7
波峰焊
8
混合性气体测试条件
本文探讨 √ √ √
√
当今有许多耐腐蚀性的测试方法，目前在电子 产业广泛应用的是源于20世纪80年代的MFG（Mixed Flowing Gas，混合性气体腐蚀实验）。
MFG气体腐蚀实验是在温度、相对湿度、腐蚀 气体浓度以及其他重要变量（如体积转换速度和气 流速度）被监测和控制下进行的。实验目的就是在 最常见的腐蚀性气体（H2S、SO2、NO2和Cl2）混合 的环境中，对腐蚀现像进行加速模拟。宜特科技的 MFG气体腐蚀实验系统如图3所示。MFG气体腐蚀实 验的流程图如图4所示。最后排放出的气体因为经过 除臭与中和过程，所以是无毒和无污染性的[4,5]。
φ （NO2）/ （×10-9）
200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200
200 200 200 610
φ （S02）/ （×10-9）
100 200 200
100 200 500 200 350
温度θ /℃
30 30 40 30 30 50 30 30 30 30 40 25 30 30 25 30
II II A III IIIA IV 1 2 3 4
表3 业界因应各自需求所制订的气体腐蚀试验条件
φ （H2S）/ （×10-9）
10 100 1 500～2 000 10 100 200 10 10 100 100 200 100 10 100 10 40
φ （Cl2）/ （×10-9）
10 20 20 10 20 50 10 10 20 20 30 10 20 10 3
H2O: 79.31%
N2: 78.08%
SO2 CO2: 11.61% H2 N2: 1.29%
O2: 20.946% Ar & CO2
（a）火山灰组成分布
（b）一般大气组成分布
图1 火山灰与一般大气的组成分布（体积分数）
有许多活性的硫化物可造成腐蚀，爬行腐蚀是 一种质量转移的过程，其中达到一定腐蚀程度的腐 蚀产物迁移到表面，并尚未对其电场造成影响[1]。爬 行腐蚀与支晶和CAF（Conductive Anode Filament， 导通阳极灯丝）的比较见表1。
比较项 基材
腐蚀产物 电子迁移 失效模式 湿度需求 电压驱动
表1 爬行腐蚀与支晶和CAF的比较
爬行腐蚀 铜
硫化铜 X
短路或开路 是 否
支晶
ＣＡＦ
铜/银/锡铅
铜
金属单质 铜的氧化物/氢氧化物
阳极到阴极
阴极到阳极
短路
短路
是
是
是
是
马里兰大学Dr. Ping Zhao过去发表的论文中曾提 及爬行腐蚀的机理，如图2所示[2]，爬行腐蚀现象最 初因电化学反应而产生，经过体机膨胀以及腐蚀产 物的溶解、扩散和沉淀现象等过程。铜经过氧化失 去一个电子而形成一价铜离子溶解于水中，腐蚀区 域的离子浓度高，铜离子随着浓度梯度向周围浓度 低的区域扩散，当环境中的相对湿度降低时，水膜 变薄或消失，导致部分铜离子与水中的硫离子等结 合沉积在材料的表面。
造成PCB爬行腐蚀的因素有许多，见表2，本实 验将探讨在混合性气体测试条件下PCB设计（阻焊与 非阻焊）、表面处理以及波峰焊助焊剂在PCB上的残 留对造成PCB爬行腐蚀的影响。发生在PCB的爬行腐 蚀将导致电子产品的电气失效，明显地PCB腐蚀现象 产生于硫化气体浓度高的环境，如造纸厂、废水处 理厂、垃圾掩埋厂、沼泽、焚化炉、温泉区以及交 通进出入口，尤其是在一些发展中国家[3]。
电子工艺技术
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Electronics Process Technology
2013年3月 第34卷第2期
电路板爬行腐蚀对云算及电子产品的挑战与威胁
陈星慈
（宜特科技股份有限公司，台湾 新竹 30072）
摘 要：电路板爬行腐蚀的现象是造成电子产品失效的常见因素。爬行腐蚀通常可发生在系统端、电路板以 及连接器和组件上，主要是因为电子产品暴露在含有高硫化物的相对潮湿的环境中。将主要针对非阻焊设计的电 路板，探讨三种不同表面处理（ImAg沉银、Post-Treatment ImAg抗氧沉银和HT OSP高温型有机保焊膜）经过四种 混和气体（H2S、SO2、NO2和Cl2）腐蚀的加速试验后，所形成的爬行腐蚀现象。
为了确保气体腐蚀试验箱内气体浓度的稳定与 均匀，在正式进行气体腐蚀试验之前，先进行机内 气体均匀性的测试，通过铜片和银片放置于气体腐 蚀试验箱内的质量变化，监控且确保气体腐蚀箱内 各区域气体浓度稳定且均匀。12片质量分数为99.99% 尺寸为6.452 cm2的铜片和银片，在经过特别的化学程 序清洗表面的氧化物及烘烤后，分别被放置在气体 腐蚀试验箱内的不同区域，同时也放置了其他的电 路板，试图让气体腐蚀试验箱内充满物件以验证其 均匀度，铜片和银片在气体腐蚀试验箱内的摆放如 图5所示。
H2S SO2 H2O
NO2 Cl2
H2O膜 CH-
H+
Cu+
Cu- Cu+
Cl-
Cl-
S- Cu+
Cu+
H+ Cu+ S-
镀覆Ni/Pd/Au
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
铜基底
电化学溶解和离子扩散
H2S SO2
NO2 Cl2
H2O膜
Cu+
Cu+
Cu+ Cl-
CH+
S-
Cl+
Cu+
OH- Cu+ S- Cu+
CHEN Cherie
(Integrated Service Technology, Inc., Hsinchu 30072, Taiwan, China)
Abstract: PCB Creep Corrosion is the common factor to cause electronic product failed. Creep corrosion usually occurs in terminal system, circuit board, connector and assembly, mainly because they are exposed to the humid environment containing high sulfide relatively. Circuit board creep corrosion phenomenon is caused by common factors of electronic products failure. Focus on the circuit board of non-solder mask design, discuss the corrosion phenomenon of three kinds of surface treatment ( ImAg, Post-Treatment ImAg, HT OSP ) after accelerated test of corrosion of four kinds of mixed gas (H2S, SO2, NO2 and Cl2).
硫和硫化物对电子产品和云算的可靠性具有很 大的影响，最近几年全球各地区火山爆发频传，火 山喷发气体中所含的硫化物会对环境造成严重的影 响。爬行腐蚀通常可发生在系统端、电路板以及连 接器和组件上，主要是因为暴露在含有高硫化物的 相对潮湿的环境中。本文将主要针对非阻焊设计的 电路板，探讨三种不同表面处理（ImAg沉银、Post-
1 电路板爬行腐蚀的影响因素及试验条件 全世界有2 000座死火山与523座活火山，主要分
布在环太平洋火山带、大洋中脊火山带、东非裂谷
作者简介：陈星慈(1980- ), 女, 毕业于美国西北理工大学, 项目副理, 长期从事验证测试研究工作。
第34卷第2期
陈星慈：电路板爬行腐蚀对云算及电子产品的挑战与威胁
相对湿度RH/%
70 70 70 70 75 75 70 70 75 70 75 75 70 75 75 70
第34卷第2期
陈星慈：电路板爬行腐蚀对云算及电子产品的挑战与威胁
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的H2S中，其腐蚀速率的差异，了解H2S体积分数对 腐蚀现象的加速关系。
如上所述，影响爬行腐蚀现象产生的关键因素 为H2S的浓度，因此本试验将H2S的体积分数提升至 1 700×10-9以加速爬行腐蚀现象的产生。本次气体腐 蚀试验条件见表4。
试验箱
排放
活性碳 （除臭剂）
2.1.2 气体腐蚀试验流程 由图4可知，四种单独的气体在进入腐蚀试验箱
前进行混合，并于试验箱底部向上喷散，气体自试 验箱内排出后首先进入过滤池进行酸碱中和，进而 进入活性碳箱进行除臭，最后排出的气体为无色、 无味和无毒的，不会对环境造成污染。 2.1.3 气体腐蚀试验箱均匀度测试
Key Words: Creep corrosion; Cloud computing; Data center; Surface finish Document Code: A Article ID: 1001-3474,2013,02-0086-08
近几年云算渐趋盛行，人们日常生活之应用皆 与云算密切相连，全球各大系统厂商纷纷建置庞大的 数据中心。云算数据中心所面临的挑战，除了传输技 术、冷却系统、能源耗损和空气污染外，其中电路板 的爬行腐蚀现象也为云算带来严重的威胁。电路板爬 行腐蚀的现象是造成电子产品失效的常见因素。
关键词： 爬行腐蚀；云算；数据中心；表面处理 中国分类号：TN60 文献标识码：Ａ 文章编号：1001-3474（2013）02-0086-08
Challenges and Threat of Creep Corrosion to Cloud Computing and Electronic Products
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火山带和阿尔卑斯-喜马拉雅火山带。近几年火山爆 发频繁，根据地质专家指出，任何时间都有20座火 山爆发，而且从2000年开始火山活动更趋频繁。火山 爆发使空气中弥漫了硫化物，对环境造成威胁，图1 给出了火山爆发前后大气的组成分布，火山灰中涵 盖了SO2以及大量的水气，这些都是有可能导致腐蚀 现象的关键因素。
图5 铜片和银片在气体腐蚀试验箱内的摆放
此均匀性测试分别针对混和气体实验中不同体积 分数的H2S（500×10-9、1 000×10-9和1 700×10-9）， 经过各5 d的实验，探讨铜片和银片在不同体积分数
试验条件 Telcordia
ALU Battelle
EIA
IEC IBM
等级
室内 室外 未分类 2级 3级 4级
表4 气体腐蚀试验条件
φ (H2S)/ (×10-9)
1 700
φ (Cl2)/ (×10-9)
20
φ (NO2)/ (×10-9)
业界有许多依据实际应用所制订的MFG气体腐 蚀实验的测试条件，见表3，但是目前还没有一个公 认的标准测试条件。根据过去许多发表过的文章及
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Electronics Process Technology
2013年3月
实验证实，H2S的浓度是影响爬行腐蚀的关键因素。
图3 宜特科技气体腐蚀试验系统 排气
镀覆Ni/Pd/Au
铜基底
电解沉积
ClCu+OH-
Cu+
OH- Cu+ S- Cl- S-
Cu+ Cu+OH-
CCl-u+S-SC-uC+OuH+ -CClu-+CCul-+
OHCl-
SCu+
吸水层 镀层和化合物
铜基底
图2 爬行腐蚀的机理
表2 造成PCB爬行腐蚀的因素
造成PCB爬行腐蚀的因素
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PCB设计