前言

在電子設備中，有一種失效現象常被稱為“慢性病”——電化學遷移（ECM）。它悄無聲息地腐蝕電路，最終導致短路、漏電甚至器件燒毀。尤其在高溫高濕環境下可能導致電路短路失效。本文將深入解析ECM的機制，并對比其與導電性陽極絲（CAF）的異同。

一、什么是電化學遷移（ECM）？

電化學遷移的本質是在電場作用下，金屬離子（如銅、銀、錫、鋁等）從陽極向陰極遷移，并在陰極還原沉積，形成樹枝狀導電通道的過程。具體過程可分為三步：

1.金屬電解：陽極金屬在潮濕環境中被電解為離子（如Ag?）。

2.離子遷移：電場驅動金屬離子穿過絕緣介質向陰極移動。

3.枝晶生長：離子在陰極還原為金屬單質，逐漸堆積成樹枝狀導電通路。

圖1 電化學遷移示意圖

這種現象常見于高溫高濕及帶電場的可靠性測試或終端客戶的使用過程中，如高加速應力測試（BHAST）及H3TRB等可靠性測試，尤其在BGA、CSP等精密封裝器件中，因錫球間距微小，ECM更易引發短路。

二、發生環境的三大條件

容易產成ECM的條件：

1.濕度：相對濕度>80%，形成吸附水膜；高濕度促進電解液形成，加速離子遷移。

2.電壓差：導體間存在直流偏壓（如電路板相鄰焊點有電壓差）；電壓差越大，電場驅動力越強。

3.離子污染：殘留助焊劑、灰塵或污染物提供電解液環境，增加導電性。

三、失效分析方法、案例

電化學遷移通常呈現的典型的形貌有：枝晶狀（圖2 (c））、苔蘚狀（圖3）。現象嚴重的可以通過X-RAY、開封等手法檢測到，但是大多數情況ECM的物理現象是比較輕微的，這種情況就需要結合熱點定位（圖4）、切片、SEM等手法來挖掘現象（圖5）。

X-Ray檢測到的ECM現象：

a）x-ray觀察到的封裝內die側壁的ECM形貌

b）a)的放大形貌

c）引腳與基板間的ECM形貌

d）引腳之間的ECM形貌

圖2

開封后在晶圓表面及側壁使用OM/SEM觀察到的ECM現象：

a）開封后光學顯微鏡觀察形貌圖

b）SEM觀察形貌圖

圖3

由于ECM導致的漏電路徑非常不穩定，通常伴隨環溫度等環境變化（如解焊、開封等動作）導致漏電消失的情況，因此分析時需要注意樣品的保護，通常采用Lock in thermal設備進行熱點定位（圖4）及切片的手法進行異常現象分析（圖5）。

Lock in thermal探測到ECM引發的二極管側壁漏電現象：

圖4 Lock in thermal熱點成像

漏電二極管定點切片后，在截面觀察到的Sn的電化學遷移現象：

a）晶圓側壁截面SEM形貌圖

b）EDX元素分布圖

圖5

四、ECM與CAF的對比

雖然ECM與CAF均屬于電子遷移，但兩者在發生位置、機制及檢測方式上存在顯著差異：

五、預防對策：切斷電子遷移的“生存鏈”

1.環境控制：

降低濕度（如使用防潮涂層）、避免污染物殘留；

使用防潮涂層或密封膠；

控制存儲濕度（建議<60% RH）。

2.設計優化：

增加導體間距、減少玻纖微裂紋（針對CAF）；

避免相鄰導體高電壓差設計；

選用抗CAF（導電陽極絲）板材。

3.工藝改進：

加強清洗流程，減少離子污染。

嚴格清洗電路板，減少離子殘留；

改善焊接質量，避免微裂紋。

4.材料選擇：

采用低吸濕性基材、抗遷移金屬鍍層。

結語

ECM和CAF是電子器件可靠性的“隱形殺手”，尤其在微型化趨勢下更加劇了其風險性。通過分析其機理并采取針對性措施，可有效提升產品壽命。若需更詳細測試標準或案例，可參考IPC-9201等行業規范。