鹽霧對集成電路性能的影響

杜迎 朱衛(wèi)良（無錫微電子科研中心四室，江蘇 無錫 214035）

摘要：主要講述了塑封電路、陶封電路和玻璃封裝電路的成分，并對鹽霧試驗對它們的影響進(jìn)行了理論分析。

關(guān)鍵詞：鹽霧；陶封；腐蝕

中圖分類號： TN43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：1003-353X(2004)05-0056-03

1 前言

在沿海地帶，大氣中含有很多鹽分。這些鹽分會對金屬零部件及材料長期腐蝕，影響產(chǎn)品的外形美觀，降低產(chǎn)品的電性能和機(jī)械性能。鹽霧試驗的目的是檢查產(chǎn)品或材料抗大氣腐蝕的能力或適應(yīng)性，檢查材料或涂覆層的質(zhì)量和均勻性。鹽霧設(shè)備將鹽溶液以霧的形式噴出來，使電路處于NaCl電解液中，這會發(fā)生許多電化學(xué)反應(yīng)，本文要探究的就是這些反應(yīng)。

2 電路的封裝

集成電路的封裝有陶封、塑封、玻璃封裝、金屬封裝等。下面討論前三種。

2.1 塑封

塑封用的材料分硅酮塑料和環(huán)氧塑料兩類。硅酮由無溶劑硅酮加入適當(dāng)填料混煉而成。硅酮樹脂的分子是線形—Si—O—鍵結(jié)構(gòu)，由于硅原子的兩側(cè)有甲基、苯基等非極性有機(jī)基團(tuán)支撐在外面，所以它抗鹽霧性能比較好。

環(huán)氧塑料分子鏈由碳—碳鍵和醚鍵構(gòu)成，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕能力強(qiáng)。

塑封用的引線框架主要是銅材，在外引線的表面上還要鍍上錫。內(nèi)引線通常為金絲。外引線框架和塑封體之間是機(jī)械粘接的。在鹽霧試驗時，鹽霧沿金屬與塑料連接界面處滲透的減緩與金屬框架周圍塑料收縮有關(guān)。塑封覆蓋的范圍越大，鹽霧就越不易進(jìn)入。

2.2 玻璃封裝

玻璃要與金屬有良好的浸潤作用，并且它們的膨脹系數(shù)要盡可能達(dá)到一致。封接材料是4J29柯伐合金與鉬組玻璃封接。如果由于玻璃強(qiáng)度不好，或玻璃熱穩(wěn)定性差，工藝不合理，內(nèi)應(yīng)力大導(dǎo)致密封性能不好，鹽霧就會進(jìn)入芯腔內(nèi)部。內(nèi)引線是鋁絲，外引線成分是Fe—Ni，并且在外引線上鍍上一層錫。

2.3 陶封

陶封外殼材料多采用A440，主要成分是Al2O3。Al2O3性質(zhì)穩(wěn)定，不與鹽霧發(fā)生反應(yīng)，所以鹽霧對陶瓷外體不產(chǎn)生影響。而外引線、蓋板、封接環(huán)等多采用4J42，其主要成分是鎳鐵合金，其膨脹系數(shù)與陶瓷相匹配。陶瓷外殼鍍覆均采用底層鍍鎳，表層鍍金。鎳層的厚度一般為4-5μm。在封接環(huán)下有金屬化層，其主要為漿料，成分為W漿或鉬—錳（Mo-Mn）漿，平行焊縫（焊料）為Ni—Au或Ni。

3 鹽霧試驗對電路的影響

3.1 鹽霧對電路表面的影響

3.1.1 原電池模型

將兩個不同電位的金屬放進(jìn)電解液中，會產(chǎn)生電流，而電子的方向由電位低的流向電位高的一端。通常，電位低的為陽極，電位高的為陰極。

陽極：金屬溶解，以離子形式遷移到溶液中，同時把當(dāng)量電子留在金屬上。

電子通過電子導(dǎo)體（金屬）從陽極遷移到陰極。溶液的陽離子從陽極區(qū)移向陰極區(qū)，陰離子從陰極區(qū)向陽極區(qū)移動。

陰極：從陽極來的電子被電解液中能吸收電子的物質(zhì)D接受

電化學(xué)腐蝕過程中，由于陽極區(qū)附近金屬離子濃度高，陰極區(qū)H+離子放電或水中氧的還原反應(yīng)，使溶液的pH值升高，于是電解質(zhì)溶液中出現(xiàn)了金屬離子濃度和pH值不同的區(qū)域，從陽極區(qū)擴(kuò)散來的金屬離子和從陰極區(qū)遷移的OH-離子相遇，形成氫氧化物沉淀物。另外，濃度差異也可構(gòu)成原電池。

在陰極，H+離子放電或水中氧的還原反應(yīng)就是析氫反應(yīng)和氧去極化反應(yīng)。

① 析氫反應(yīng)

金屬（陽極）與氫電極（陰極）構(gòu)成原電池，當(dāng)金屬的電位比氫的平衡電位更負(fù)時，兩電極間存在一定的電位差，才可能發(fā)生反應(yīng)。

幾種金屬的電極電位如表1。

氫的平衡電位約為-0.413V。

式中，ηH為析氫過電位；E′H:析氫電位；EH為氫平衡電位。

ηH越大，則氫極化過程越難，腐蝕越慢。

從上可知，Al，F(xiàn)e（變成2價離子），Zn 可以發(fā)生析氫反應(yīng)，其它的則很難發(fā)生該反應(yīng)。

② 氧去極化反應(yīng)

氧去極化平衡電位約為0.805V。

式中，ηO2為氧去極化電位； Eˊ為過電位；EOθ為氧平衡電位。

ηO2越小，氧與電子結(jié)合反應(yīng)越易于進(jìn)行。

從上可知，F(xiàn)e，Ni，Ag，Cu易發(fā)生氧去極化反應(yīng)，而Sn則不易發(fā)生。

在鹽霧中，[Cl]-是腐蝕性離子，因為半徑小，它可穿過鈍化膜，產(chǎn)生感應(yīng)離子導(dǎo)電，發(fā)生點蝕。

在陰極為吸氧反應(yīng)，蝕孔內(nèi)氧濃度下降，孔外富氧，形成孔內(nèi)外供養(yǎng)差異電池，孔內(nèi)金屬離子不斷增加，為保持中性，蝕孔外陰離子[Cl]-向孔內(nèi)遷移，孔內(nèi)氯離子濃度升高。Mn++n（H2O）M（OH）n+nH+這使孔內(nèi)的氫離子濃度升高，PH值下降，孔內(nèi)酸化，使蝕孔區(qū)金屬處于HCl中，處于活化溶解狀態(tài)，孔外依然是富氧，保持中性，因而表面膜保持鈍態(tài)，構(gòu)成活化-鈍化腐蝕電池，使孔內(nèi)金屬不斷溶解，蝕孔外表面發(fā)生氧的還原反應(yīng)。

因塑封材料抗鹽霧能力強(qiáng)，發(fā)生的腐蝕非常小。所以認(rèn)為鹽霧對塑封材料沒有腐蝕發(fā)生。

電路的外引線一般是Cu，外面鍍上Sn。雖然 Sn不易發(fā)生吸氧反應(yīng)，但是由于[Cl]-有腐蝕性，對鍍層的破壞性比較大。當(dāng)鍍層上有裂紋或磨損時，[Cl]-會在Sn上發(fā)生點蝕，其發(fā)生的反應(yīng)如下

如果有Cu暴露時，因Cu的電位比Sn大，構(gòu)成原電池。Sn溶解，而Cu不溶解。

當(dāng)鹽霧進(jìn)入腔體內(nèi)，因內(nèi)引線為金絲，Au的電位比Cu高，就構(gòu)成Cu—Au原電池。Cu溶解，發(fā)生氧去極化反應(yīng)，其反應(yīng)過程如下

3.1.3 陶封電路

① 外引線

外引線管腳由于經(jīng)常要磨損，會破壞電鍍層，當(dāng)鍍層被破壞掉后，由于里面引線的材料是Ni—Fe合金。在鹽霧試驗中，對于Fe來說，因為Fe與 Au的電位相差很大，就形成了Fe—Au原電池，在[Cl]-的作用下，陽極會失去電子。發(fā)生析氫反應(yīng)。它的反應(yīng)如下

析氫反應(yīng)

當(dāng)鍍層發(fā)生破壞時，在鍍層Ni上會出現(xiàn)點蝕，其反應(yīng)見式（6）、（7）。里面的Ni—Fe合金的反應(yīng)見式（4）-（10）。

3.1.4 玻璃封裝電路

鹽霧與玻璃中的成分不反應(yīng)，因而鹽霧對玻璃沒有腐蝕作用。玻璃封裝電路的外引線是Ni-Fe，外面鍍上Sn。當(dāng)鍍層有破裂時，發(fā)生點蝕現(xiàn)象。其反應(yīng)過程見式（1）-（2）。當(dāng)露出底面金屬時，因Sn電位比Ni和Fe高，所以Ni和Fe發(fā)生腐蝕，反應(yīng)過程見式（4）-（10）。

3.2 鹽霧對電路芯腔的影響

由于塑封電路內(nèi)引線為金絲，金的性質(zhì)穩(wěn)定，所以鹽霧與它不發(fā)生反應(yīng)。

3.2.1 陶封電路

內(nèi)引線為鋁絲。當(dāng)鹽霧進(jìn)入到芯腔內(nèi)部后，因 Au與Al的激活能不同，鹽霧中的水氣加上正負(fù)電極就會形成原電池，Al與Au分別構(gòu)成原電池的陽極和陰極。[Cl]-使腐蝕速度大大加快，水氣和[Cl]-共同使Al—Au鍵中的Al絲受腐蝕，其化學(xué)反應(yīng)公式如下

部分Al（OH）3分解生成氧化物

上述反應(yīng)會使Al絲導(dǎo)電性變?nèi)?，甚至斷裂，使電路失效?/P>

3.2.2 玻璃封裝電路

內(nèi)引線也為鋁絲。鹽霧進(jìn)入后，因Sn的電位比Al高，夠成Al-Sn原電池，其反應(yīng)過程見式（11）-（12）。

從以上分析可以看出，試驗中，由于原電池及腐蝕性離子[Cl]-的存在，在鹽霧里發(fā)生一些電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕物的生成，破壞電路的表面和性能。