集成電路可靠性試驗―鹽霧技術研究 - 全文

　　1 前言

　　鹽霧試驗是集成電路可靠性試驗之一，它可以用來檢驗產(chǎn)品的抗腐蝕環(huán)境能力的強弱。而鹽霧試驗所需的條件又比較多，這些條件會對試驗產(chǎn)生一定的影響。

　　2 試驗

　　一般我們做鹽霧試驗的條件是鹽液：NaCl(無水);pH值：6.5～7.2;溫度：32-38℃;鹽霧沉積率：20000～50000/m2 (24h);鹽霧持續(xù)時間：24h，48h，96h，240h;鹽濃度：0.5%-3%。

　　鹽霧沉積率與鹽濃度是相對應的，這是因為它們之間的對應關系如下式

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　　Sd為鹽霧沉積率;[Cl]-為氯離子濃度。

　　因為鹽濃度就是氯離子濃度,所以鹽濃度與鹽霧沉積率之間是相對應的。

　　根據(jù)以上條件可以判斷，在進行鹽霧試驗時，影響試驗的主要條件有以下幾點：溫度;鹽液濃度;氧的溶解度;流速。

　　為了驗證以上的條件對試驗的影響，本文選用若干表面干凈的電路按下列方法進行試驗驗證。

　　方法1：鹽選用NaCl(無水);溫度為35℃;時間為24h。流速一定;按鹽濃度為1%，2%，3%，4%，5%分五組進行試驗，每一組五個電路。

　　方法2：鹽選用NaCl(無水);濃度為3%;鹽霧沉積率為50000/m2*24h;時間為24h。流速一定;按溫度20℃，25℃，30℃，35℃，40℃，50℃分六組進行試驗，每一組五個電路。

　　方法3：鹽選用NaCl(無水);濃度為3%;鹽霧沉積率為50000/m2(24h);時間為24h。溫度為35℃;按流速正常和流速變大分兩組進行試驗，每一組五個電路。

　　另外，為了研究樣品的擺放對試驗的影響，我們用方法4進行試驗。

　　方法4：將15只樣品平均分成三組，蓋板向上，樣品偏離垂直方向30°,45°,75°,90°進行試驗，其他試驗條件是：鹽選用NaCl(無水);濃度為3%;鹽霧沉積率為：50000/m2(24h);時間為24h。流速一定;溫度為35℃。

　　試驗后用純凈水清洗電路，放置1小時后，試驗結(jié)果見表1。

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　　3 試驗分析

　　本文對以上試驗結(jié)果進行了分析。在鹽霧試驗中，由于各種金屬的電極電位不同以及它們在鹽液中的過電位大小不一，所以在鹽霧中會發(fā)生很多的 電化學反應。在陽極是金屬失去電子，成為離子，在陰極發(fā)生的電化學反應類型有析氫反應和氧去極化反應等，其中氧去極化反應(吸氧反應)是最主要的反應類型。它是由于鹽液中含有的溶解氧而 造成的，溶液中的氧可通過擴散作用不斷地向陰極區(qū)移動。

　　氧向電極表面擴散決定整個吸氧腐蝕過程的速度，因為氧在鹽溶液的溶解度是有限的，吸氧腐蝕速度往往被氧向金屬表面的擴散速度所控制，也就是說，金屬腐蝕速度是與氧在陰極還原的極限電流密度相一致的。

　　氧向陰極擴散速度由Fick第二定律得出

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　　式中，D為溶解氧擴散系數(shù);δ為擴散層厚度;Ce為電極表面氧的濃度;C為溶液中氧的濃度。

　　電極反應速度可由法拉第定律得出

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　　id：極限電流密度;n：價數(shù);F：法拉第常數(shù)。

　　當電極反應達到平衡，即擴散控制時：V1=V2由公式(2)、公式(3)得出

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　　由于隨著電極反應的進行，電極附近氧原子不斷消耗，Ce降低，當Ce→0時，公式(4)可變?yōu)?/p>

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　　從公式(5)中可以看出，極限電流密度id與擴散層厚度δ、溶解氧擴散系數(shù)D、溶解氧的濃度C、價數(shù)n等有關;極限電流密度的大小也就意味著腐蝕速度的大小;其中D與環(huán)境溫度成正比。

　　3.1 溶液溫度的影響

　　從公式(5)中可知，溶液溫度升高，使溶液粘度降低，從而使溶解氧的擴散系數(shù)D增加，所以溫度升高可以加速腐蝕過程。試驗結(jié)果見圖1 (由表1中①的結(jié)果轉(zhuǎn)化而來)。

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　　從圖1中知道，隨著溫度的升高，腐蝕速度也 在逐漸增大，但是當溫度超過35℃后，腐蝕速度反而隨著溫度的增大而變?nèi)?。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生主要 是在溶液濃度一定的情況下，由于氧氣在溶液中的溶解度是與溫度成反比的。而腐蝕速度是受到兩個主要的因素來控制的，即溫度與溶解在溶液中的氧含量。在溫度低于35℃時，雖然氧的含量隨著溫 度的升高而降低，由于在這種情況下電化學反應所需要的氧是足夠的，因而腐蝕速度受溫度控制。由于溫度的升高可以使溶解氧的擴散系數(shù)D變大，所以在溫度小于35℃時，腐蝕速度(即電化學反應速度)是與溫度成正比的。當溫度高于35℃，隨著溫度的升高，溶液中的氧的含量降低，不能滿足電化學反應所需要的含量。這時，腐蝕速度是受溶解氧的含量控制的，雖然溫度升高會使化學反應速度提高，但由于是氧在參與電化學反應，因氧濃度降低，所以腐蝕速度逐漸地隨溫度的升高而減慢。

　　3.2 溶液濃度的影響

　　在鹽霧試驗中，Cl離子的半徑小，破壞性很強。由于它的存在，使電路發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。當NaCl溶液濃度增大，則Cl離子濃度也就變大，這時， 電化學反應速度就應當變快。試驗結(jié)果見圖2(表1中②的結(jié)果轉(zhuǎn)化而來)。

　　由圖2可知，隨著鹽濃度的增大，腐蝕速度開始是與濃度成正比的，但當濃度超過3%后，腐蝕速度與濃度的關系是反比的，即反應速度隨鹽濃度的增加而降低。氧的溶解度與濃度成反比關系。這是由于在一定溫度條件下，腐蝕速度是由兩個主要的因素，即鹽濃度與溶解在溶液中的氧含量來控制的。當溶液中氧的含量能滿足電化學反應時，腐蝕速度受鹽濃度控制，即Cl離子濃度越大，發(fā)生的 反應越強。當濃度超過3%后，隨濃度的增加，溶解的氧的含量降低，不能滿足電化學反應的需要， 這時，腐蝕速度是受溶液中氧的含量來控制。雖然Cl離子濃度變大，但此時起主要作用的是氧， 所以腐蝕速度隨濃度的增加而變小。

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　　3.3 氧的溶解度

　　從公式(5)中可知，溶解氧的濃度C增加，極限電流密度id增大，這樣溶液導電性增加，腐蝕 速度加快。表2是氧在海水中的溶解度關系。

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　　從表2中可以看出，溶解度是與外界環(huán)境條件 密切聯(lián)系的，即隨著濃度或溫度的增加而降低，此時擴散速度減小，使腐蝕速度下降。我們通過降低外界環(huán)境溫度或降低鹽濃度，來使溶液中氧的濃度的提高。當 C增大，id變大，這時反應速度(腐蝕速度)分兩種情況：①當溶解氧不能滿足電化學反應的要求時，氧的溶解度對腐蝕速度起主要作用，即腐蝕速度隨溶液中氧的濃度的增大而變大。②當溶解氧能滿足電化學反應的要求時，腐蝕速度受氧濃度C的影響變小，而主要受溫度或濃度的影響，即由于溶解度的增加，溫度降低或濃度降低， 使腐蝕速度降低。

　　3.4 流速

　　在氧濃度、溫度、鹽濃度一定時，流速的增加，使擴散層厚度δ減小，由公式(5)可知，極限電流密度id變大，所以腐蝕速度增加。再看試驗結(jié)果表1中的③，流速變大后，電路表面的腐蝕現(xiàn)象增加了，也就是說腐蝕速度是與流速成正比關系的。

　　3.5 樣品擺放的影響

　　從表1④看，腐蝕現(xiàn)象隨角度變大而變得嚴重，我們研究該現(xiàn)象嚴重的原因。

　　圖3中左圖為樣品擺放的位置,右圖為鹽霧顆粒在蓋板上的受力情況。

　　下面來看一下鹽霧顆粒在樣品表面停留的時間。假定顆粒從樣品表面蓋板的上端向下端流動，設蓋板的長度為L，根據(jù)圖3中右圖的顆粒受力情況及動力學原理，得出：

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　　從公式(8)中可知，樣品偏離垂直方向的角度α與時間t成正比,即當α=0°時，t最小;當α=90°時，t最大，鹽霧顆粒在樣品表面時間越長，鹽沉積在表面蓋板上的就越多，對樣品的破壞性就越大。當角度為0°時，樣品放置會不穩(wěn)定;角度為90°時，因鹽沉積量太大而影響試驗的作用。因此，角度在10°-80°比較合適，一般取45°，即可使流速快又可使鹽沉積在蓋板上不多。該角度便于調(diào)制而且樣品放置方便。

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　　4 結(jié)論

　　通過以上的試驗與結(jié)果分析，我們可以認為在溫度小于35℃前，腐蝕速度與溫度成正比關系;當超過35℃后，腐蝕速度與溫度成反比關系;在35℃腐蝕速度達到最大。鹽濃度小于3%前，腐蝕速度與濃度成正比關系;當鹽濃度超過3%后，腐蝕速度與鹽濃度成反比關系;在3%時腐蝕速度達到最大。氧溶解度對腐蝕速度的影響是與溫度與鹽濃度相關的。采用溫度35℃、鹽濃度3%進行鹽霧試驗可以在最短時間并且最有效地反映集成電路封裝的抗腐蝕能力。樣品的擺放偏離垂直方向的角度越大，試驗越嚴酷，越小越寬松，試驗時的角度為45°，可以兩者兼顧。