1、Ag離子遷移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

      （1）Ag離子的遷移現(xiàn)象是1954年由美國貝爾研究所的D.E.YOST把它作為PCB的一個(gè)問題提出來的。在該報(bào)告中介紹了在電話交換機(jī)或電子計(jì)算機(jī)等所使用的端子上的Ag，在絕緣板上溶解析出，由離子電導(dǎo)使絕緣遭到破壞的案例。

      在PCBA上應(yīng)用Ag的場合如下：

      ①PCB上的印制導(dǎo)線及圖形采用電鍍或還原鍍工藝涂敷的Ag層；

      ②引線和端子采用Ag鍍層的元器件；

      ③為改善PCB導(dǎo)體的外觀、可焊性和導(dǎo)電性等為目的的Ag鍍層；

      ④含Ag的釬料。

      特別是在場合③的情況下，Ag不只是覆蓋在導(dǎo)體的表面，而且在導(dǎo)體的側(cè)壁也有附著。而這在PCB上留下了日后Ag遷移的危險(xiǎn)隱患。

      （2）離子遷移發(fā)生過程可分為：

      陽極反應(yīng)（金屬溶解）；

      陰極反應(yīng)（金屬或金屬氧化物析出）；

      電極間發(fā)生的反應(yīng)（金屬氧化物析出）。

      電子材料的離子遷移是由與溶液和電位有關(guān)的電化學(xué)現(xiàn)象所引起的，與從金屬溶解反應(yīng)、擴(kuò)散和電泳中產(chǎn)生的金屬離子移動(dòng)反應(yīng)及析出反應(yīng)有關(guān)。

      特別是在高密度組裝的電子設(shè)備中，材料及周圍環(huán)境相互影響導(dǎo)致離子遷移發(fā)生而引起電特性的變化，已成為故障的重要原因。金屬離子的遷移現(xiàn)象，最典型的是Ag離子的遷移。

2、Ag離子的遷移機(jī)理

（1）Ag離子遷移發(fā)生的條件

      在PCB上含Ag的電極間由于吸濕和結(jié)露等作用吸附水分后再加入電場時(shí)，金屬Ag從一個(gè)電極向另一個(gè)電極移動(dòng)，析出Ag或化合物的現(xiàn)象稱為Ag離子遷移。

      顯然Ag離子遷移發(fā)生的前提是：

      ①必須在兩電極間的絕緣物表面或內(nèi)部存在著導(dǎo)電性或?qū)щ姷臐駳獗∧ぃ?/span>

      ②在兩電極間施加了直流電壓。

（2）Ag離子遷移發(fā)生機(jī)理和陽極反應(yīng)

      Ag離子的遷移是電化腐蝕的特殊現(xiàn)象。它的發(fā)生機(jī)理是當(dāng)在絕緣基板上的Ag電極（鍍Ag引腳或鍍Ag的PCB布線）間加上直流電壓時(shí)，當(dāng)絕緣板吸附了水分或含有鹵素元素等時(shí)，陽極被電離，如圖1所示。

圖1Ag離子遷移機(jī)理

      水（H2O）在電場作用下被電離：

      H2O?OH-+H+

      H+移向陰極從陰極上獲得電子變氫氣（H2）向空間逸放掉，而OH-則返向移向陽極，把陽極銀溶解形成氫氧化銀，其化學(xué)反應(yīng)式：

      Ag?Ag++e（氧化反應(yīng)）

      Ag++OH-?AgOH（還原反應(yīng)）

      由電化學(xué)反應(yīng)生成的AgOH是不穩(wěn)定的，很容易和空氣中的氧或合成樹脂中的基團(tuán)反應(yīng)，在陽極側(cè)生成氧化銀。

      2AgOH?Ag2O+H2O

      假如陽極側(cè)不斷地被溶蝕，氧化銀不斷地成長，直到抵達(dá)陰極時(shí)，便從陰極側(cè)被還原而析出Ag，其反應(yīng)如下：

      Ag2O+H2O?2AgOH?2Ag++2OH-

      由于上述反應(yīng)是不斷循環(huán)的，故Ag2O不斷地從陽極向陰極方向成樹枝狀生長，Ag2O在陰極不斷地被還原而析出Ag。

      Ag的遷移現(xiàn)象不僅沿著絕緣基板的表面發(fā)生，而且也會(huì)沿著基板的厚度方向發(fā)生，如圖2所示。

圖2 Ag離子沿厚度方向遷移

圖3 Ag離子沿表面及厚度方向的遷移現(xiàn)象

（3）影響因素

      ①Ag離子的遷移狀態(tài)隨有機(jī)絕緣板上的分解物的種類，施加的直流電壓的大小、水的純度、處理的溫度、濕度等的不同而不同。

      ②遷移現(xiàn)象的發(fā)生，還受電極間存在的一些特定離子的影響，如存在Cl-、Br-、I-、F-等鹵素離子時(shí)，遷移現(xiàn)象的發(fā)生將變得更容易。作為洗凈劑的有機(jī)化合物也能促進(jìn)遷移現(xiàn)象的發(fā)生，如圖4所示。

圖4 遷移還受電極間存在的一些特定離子的影響

      ③如果從材料角度來分析離子遷移，如釬料那樣在金屬中添加其他成分后形成合金材料，這時(shí)不同金屬的金屬間化合物的形成位置、穩(wěn)定性及電極電位等多種因素相互影響，產(chǎn)生的原因更加復(fù)雜。

      ④由離子遷移發(fā)生速度較快的Ag及Cu生成穩(wěn)定化合物（Ag3Sn、CuxSnx），無鉛釬料合金Sn3.5Ag和Sn0.8Cu的耐遷移特性與Sn的溶解特性相關(guān)。與SnPb釬料合金比較，在高Sn的無鉛釬料中，因?yàn)镾n形成了穩(wěn)定的鈍態(tài)膜，故無鉛釬料的耐離子遷移性高。但是，Sn的鈍態(tài)膜受環(huán)境條件的影響，其穩(wěn)定性也有喪失的可能。

3、Ag遷移現(xiàn)象對(duì)可靠性的危害

（1）是設(shè)備工作失常的潛在隱患

      電子材料的離子遷移是由與溶液和電位有關(guān)的電化學(xué)現(xiàn)象所引起的，與從金屬溶解反應(yīng)、擴(kuò)散和電泳中產(chǎn)生的金屬離子移動(dòng)反應(yīng)及析出反應(yīng)等有關(guān)。特別是在高密度組裝的電子設(shè)備中，材料及周圍環(huán)境相互影響導(dǎo)致離子遷移發(fā)生，引起電特性的變化而成為故障的原因。

（2）絕緣電阻劣化

      Ag離子遷移對(duì)PCB絕緣性能的危害。日本學(xué)者綱島通過在酚醛紙積層PCB上的Ag電極上施加250V直流電壓，在40℃、90%RH的環(huán)境放置24h，測試得到絕緣電阻的劣化情況，如圖5所示。

圖5 Ag導(dǎo)體的遷移和絕緣電阻

（3）是引發(fā)災(zāi)難性事件的潛在因素

      隨著Ag遷移過程的發(fā)展，黑褐色的 Ag2O不斷朝向陰極側(cè)生長，而在陰極側(cè)不斷被還原出來的Ag反過來自陰極向陽極生長發(fā)展，如圖6所示。

圖6 Ag從陰極向陽極方向成樹枝狀生長

      由陽極向陰極生長的Ag2O和由陰極還原向陽極遷移生長的Ag，當(dāng)它們未接觸之前，電路工作尚能維持很好的穩(wěn)定狀態(tài)。

      然而，樹枝狀A(yù)g2O和還原Ag的枝晶不斷生長，它們之間一旦相接觸，便會(huì)在該處產(chǎn)生瞬間的局部過電流（短路電流）而將其熔斷，于是絕緣電阻又恢復(fù)到發(fā)生短路前的狀態(tài)。就這樣Ag的還原生長與短路熔斷反復(fù)進(jìn)行，便導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的絕緣板面局部炭化，而使其處于持續(xù)的電短路狀態(tài)，造成永久性破壞甚至使基材燃燒起來。