首頁 如何驗證電子產品是否會發生爬行腐蝕Creep Corrosion失效

如何驗證電子產品是否會發生爬行腐蝕Creep Corrosion失效

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如何驗證電子產品是否會發生爬行腐蝕Creep Corrosion失效

by ruby

發佈日期:2019/9/5Creep Corrosion
發佈單位:iST宜特

您知道空氣中的硫化物 會造成爬行腐蝕(Creep Corrosion)嗎?
如何簡便迅速地確認爬行腐蝕是否會發生?

近年來由於人工智慧 (AI)、大數據、5G、物聯網 (IOT) 與邊緣運算的廣泛應用,隨著這些題材的發酵,讓雲端資料處理中心硬體設備的可靠度能力越來越受到重視。而在全球日趨嚴重的空氣污染威脅下,無論是在室內或是室外的空氣品質也都將會直接或間接地影響雲端資料處理中心電子設備的使用壽命。

一般來說,這些電子產品易受到環境中的腐蝕性氣體、水分、汙染物、和懸浮微粒的影響,讓敏感性電子元件與印刷電路板產生爬行腐蝕的失效現象,嚴重恐導致設備電氣短路故障的風險。因此,在產品出廠前,驗證未來產品是否有抵抗爬行腐蝕的能力極為重要。

creep corrosion

快速了解爬行腐蝕

爬行腐蝕是屬於硫化腐蝕 (Sulfur Corrosion) 其中一種的失效機理,典型的案例可由印刷電路板 (Print Circuit Board; PCB,參見圖一) 與導線架封裝 (Leadframe Packages,參見圖二) 元件最為常見。由於裸露的金屬銅接觸到環境中硫化物的腐蝕性氣體進行反應生成硫化亞銅 (Cu2S) 的腐蝕產物,其固體腐蝕物沿著電路與阻焊層/封裝材料表面遷移生長的過程,導致相鄰焊盤和電路間的電氣短路失效現象,我們稱之為爬行腐蝕的失效模式。

PCB Creep Corrosion

圖一:印刷電路的爬行腐蝕
(圖來源: Barry Hindin, Ph.D, Battelle Columbus Operations)

Leadframe Packages Creep Corrosion

圖二:導線架封裝元件的爬行腐蝕 (受限於導線架鍍層與封裝材料氣密性)
(圖來源: Dr. P. Zhao, University of Maryland)

  • 一、如何驗證爬行腐蝕-傳統MFG試驗手法

    傳統爬行腐蝕驗證方法,會採用混合流動氣體 (Mixed Flowing Gas; MFG)腐蝕試驗,其可控制試驗參數,包括溫度、濕度、腐蝕性氣體的種類、濃度與流速…等等,並可以不斷地置換反應器內部的腐蝕性氣體。

    由於其可控制的試驗參數眾多、架設複雜且能持續地提供新鮮的腐蝕性氣體的特性,因此對於實際終端的環境條件具備較高的模擬能力與試驗的應用性,但卻也同時造成試驗成本昂貴的問題,並非能所有產業鏈的客群所接受並採用。

  • 二、便宜簡便的傳統FoS試驗手法,可以驗出爬行腐蝕嗎?

    傳統的FoS試驗(ASTM B809 FoS),由於可控制的試驗參數只包含溫度與濕度,參數較少、架設簡易且為單一硫化物腐蝕性氣體做試驗的特性,相對於MFG試驗,FoS實驗成本低、測試時間短,不過卻也同時造成試驗應用性較低的問題。

    此外,只含單一硫化物腐蝕性氣體,亦是無法誘發表面爬行機理的產生;即便是在高濕度的試驗條件下,我們也只能觀察到腐蝕產物雖有輕微的遷移生長,但卻只侷限於金屬表面的區域而不會有任何爬行腐蝕的特徵現象。

    也就說,若要有效驗證「爬行腐蝕」的失效問題,使用傳統FoS試驗(ASTM B809 FoS)手法,是測不太出來的!

    一般傳統的ASTM B809 FoS 試驗方法其主要目的,是用來評估金屬鍍層的孔隙度,所以絕大部分所觀測到腐蝕現象是屬於「孔隙腐蝕」 (Pitting/Pore Corrosion) 而並非所謂的「爬行腐蝕」。

  • 三、新型iNEMI FoS試驗手法快速簡便驗證爬行腐蝕

    MFG的試驗成本昂貴、測試時間長;而傳統FoS試驗成本便宜、測試時間短,但卻無法有效測出爬行腐蝕。

    為解決此一窘境,國際電子生產商聯盟 (International Electronics Manufacturing Initiative ; iNEMI ) 於2018年8月特別針對爬行腐蝕的驗證發表了一份白皮書 (White Paper,參見圖三)。

    而其中,宜特實驗室與國際系統大廠共同剖析造成爬行腐蝕的關鍵因子,並研究開發出符合經濟效益、簡便迅速地驗證電子產品爬行腐蝕失效的測試方法: iNEMI 硫磺蒸氣 (Flower of Sulfur; FoS) 腐蝕試驗

    iNEMI Creep corrosion

    圖三: iNEMI的爬行腐蝕驗證白皮書 (White Paper_iNEMI FoS Test)。

  • 四、新型iNEMI FoS與傳統FoS試驗差異之處?

    iNEMI FoS此實驗設計有別於傳統的FoS 試驗(ASTM B809 FoS)方法,其主要差異如以下所示:

    1. 濕度控制:區分三階段的濕度試驗 (低、中、高),更能有效地呈現各種材料對濕度的敏感性。
    2. 氣體流速:引用氣體流速的來增加試驗樣品與腐蝕性氣體的碰撞頻率,亦能有效地提高腐蝕反應速率並減少試驗週期與條件平衡所需的時間。
    3. 導入氯氣:由於氯氣的因子使其可誘發腐蝕產物爬行機理的產生,因此可以有效地複製爬行腐蝕失效的現象。
    4. 試驗前樣品的預處理:藉由樣品的預處理,更能有效地降低 VOC 對試驗腐蝕反應速率的影響。

    除此之外,相較於 MFG 國際規範的試驗條件中,其氯氣的濃度普遍偏低 (≤ 50 ppb),由於 iNEMI FoS 試驗條件具備較高濃度的氯氣 (≥ 100 ppb),因此更能有效地驗證電子產品爬行腐蝕失效的問題。

    StandardsASTM B809 FoSiNEMI FoS
    Temperature50℃50℃
    Humidity82%11%-95%
    Corrosive GasS8S8 + Cl2
    Gas FlowingXO
    Major ModeCu2S…Cu2S…
    Corrosion ModePore/Pitting Corrosion
    (Limited Metal Area)
    Creep Corrosion
    Feature
    圖出處:iST宜特科技

    圖出處:iST宜特科技
    Pre-TreatmentXO
    IndustryPorosity of Metal CoatingPCB/PCBA , IC Leadframe Package

    表一: 各種硫磺蒸氣 (Flower of Sulfur; FoS) 腐蝕試驗方法之比較

  • 五、iNEMI FoS爬行腐蝕失效的判定標準

    iNEMI FoS試驗結果的判定標準可區分為外觀檢測與功能性/電性量測,一般皆以功能性量測的結果為最終試驗成果的判定依據。但唯有爬行腐蝕的失效試驗,可以直接藉由外觀檢測的結果來進行最終試驗成果的判定,其外觀檢測的判定標準如下表(表二)所示:

    RankingRank 0Rank 1Rank 2Rank 3Rank 4
    ModeNo CorrosionPad/Edge CorrosionLight Creep Corrosion (<1/3 gap)Light Creep Corrosion (>1/3 gap)Heavy Creep Corrosion (Bridge)
    Features Photo
    (photo by iST宜特科技)
    DescriptionOxidation or tarnishing is OK.Corrosion limited to pads or holes only, no spread.Corrosion spreading from pads or holes, but not bridging between features.Corrosion spreading from pads or holes has potential bridging risk between features.Severe corrosion, bridging between features already.
    ResultsPassedPassedPassedFailedFailed

    表二: iNEMI FoS Test爬行腐蝕失效的判定標準

電子產品驗證測試實驗室-宜特科技提供各種抗硫化測試的服務,並且結合 ANSI/ISA-71.04-2013標準在試驗過程中評估此加速試驗在G2或G3環境腐蝕等級的模擬年限;亦可結合實際終端環境的腐蝕程度並採以客製化的實驗設計協助評估產品抗硫化腐蝕的壽命驗證服務。若您想要更進一步了解細節,歡迎洽詢 +886-3-579-9909分機3003李先生 (Dem Lee) │ Email: WEB_GE@istgroup.com

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