盐雾对集成电路性能的影响

杜迎 朱卫良（无锡微电子科研中心四室，江苏 无锡 214035）

摘要：主要讲述了塑封电路、陶封电路和玻璃封装电路的成分，并对盐雾试验对它们的影响进行了理论分析。

关键词：盐雾；陶封；腐蚀

中图分类号： TN43 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2004)05-0056-03

1 前言

在沿海地带，大气中含有很多盐分。这些盐分会对金属零部件及材料长期腐蚀，影响产品的外形美观，降低产品的电性能和机械性能。盐雾试验的目的是检查产品或材料抗大气腐蚀的能力或适应性，检查材料或涂覆层的质量和均匀性。盐雾设备将盐溶液以雾的形式喷出来，使电路处于NaCl电解液中，这会发生许多电化学反应，本文要探究的就是这些反应。

2 电路的封装

集成电路的封装有陶封、塑封、玻璃封装、金属封装等。下面讨论前三种。

2.1 塑封

塑封用的材料分硅酮塑料和环氧塑料两类。硅酮由无溶剂硅酮加入适当填料混炼而成。硅酮树脂的分子是线形—Si—O—键结构，由于硅原子的两侧有甲基、苯基等非极性有机基团支撑在外面，所以它抗盐雾性能比较好。

环氧塑料分子链由碳—碳键和醚键构成，化学性质稳定，抗腐蚀能力强。

塑封用的引线框架主要是铜材，在外引线的表面上还要镀上锡。内引线通常为金丝。外引线框架和塑封体之间是机械粘接的。在盐雾试验时，盐雾沿金属与塑料连接界面处渗透的减缓与金属框架周围塑料收缩有关。塑封覆盖的范围越大，盐雾就越不易进入。

2.2 玻璃封装

玻璃要与金属有良好的浸润作用，并且它们的膨胀系数要尽可能达到一致。封接材料是4J29柯伐合金与钼组玻璃封接。如果由于玻璃强度不好，或玻璃热稳定性差，工艺不合理，内应力大导致密封性能不好，盐雾就会进入芯腔内部。内引线是铝丝，外引线成分是Fe—Ni，并且在外引线上镀上一层锡。

2.3 陶封

陶封外壳材料多采用A440，主要成分是Al2O3。Al2O3性质稳定，不与盐雾发生反应，所以盐雾对陶瓷外体不产生影响。而外引线、盖板、封接环等多采用4J42，其主要成分是镍铁合金，其膨胀系数与陶瓷相匹配。陶瓷外壳镀覆均采用底层镀镍，表层镀金。镍层的厚度一般为4-5μm。在封接环下有金属化层，其主要为浆料，成分为W浆或钼—锰（Mo-Mn）浆，平行焊缝（焊料）为Ni—Au或Ni。

3 盐雾试验对电路的影响

3.1 盐雾对电路表面的影响

3.1.1 原电池模型

将两个不同电位的金属放进电解液中，会产生电流，而电子的方向由电位低的流向电位高的一端。通常，电位低的为阳极，电位高的为阴极。

阳极：金属溶解，以离子形式迁移到溶液中，同时把当量电子留在金属上。

电子通过电子导体（金属）从阳极迁移到阴极。溶液的阳离子从阳极区移向阴极区，阴离子从阴极区向阳极区移动。

阴极：从阳极来的电子被电解液中能吸收电子的物质D接受

电化学腐蚀过程中，由于阳极区附近金属离子浓度高，阴极区H+离子放电或水中氧的还原反应，使溶液的pH值升高，于是电解质溶液中出现了金属离子浓度和pH值不同的区域，从阳极区扩散来的金属离子和从阴极区迁移的OH-离子相遇，形成氢氧化物沉淀物。另外，浓度差异也可构成原电池。

在阴极，H+离子放电或水中氧的还原反应就是析氢反应和氧去极化反应。

① 析氢反应

金属（阳极）与氢电极（阴极）构成原电池，当金属的电位比氢的平衡电位更负时，两电极间存在一定的电位差，才可能发生反应。

几种金属的电极电位如表1。

氢的平衡电位约为-0.413V。

式中，ηH为析氢过电位；E′H:析氢电位；EH为氢平衡电位。

ηH越大，则氢极化过程越难，腐蚀越慢。

从上可知，Al，Fe（变成2价离子），Zn 可以发生析氢反应，其它的则很难发生该反应。

② 氧去极化反应

氧去极化平衡电位约为0.805V。

式中，ηO2为氧去极化电位； Eˊ为过电位；EOθ为氧平衡电位。

ηO2越小，氧与电子结合反应越易于进行。

从上可知，Fe，Ni，Ag，Cu易发生氧去极化反应，而Sn则不易发生。

在盐雾中，[Cl]-是腐蚀性离子，因为半径小，它可穿过钝化膜，产生感应离子导电，发生点蚀。

在阴极为吸氧反应，蚀孔内氧浓度下降，孔外富氧，形成孔内外供养差异电池，孔内金属离子不断增加，为保持中性，蚀孔外阴离子[Cl]-向孔内迁移，孔内氯离子浓度升高。Mn++n（H2O）M（OH）n+nH+这使孔内的氢离子浓度升高，PH值下降，孔内酸化，使蚀孔区金属处于HCl中，处于活化溶解状态，孔外依然是富氧，保持中性，因而表面膜保持钝态，构成活化-钝化腐蚀电池，使孔内金属不断溶解，蚀孔外表面发生氧的还原反应。

因塑封材料抗盐雾能力强，发生的腐蚀非常小。所以认为盐雾对塑封材料没有腐蚀发生。

电路的外引线一般是Cu，外面镀上Sn。虽然 Sn不易发生吸氧反应，但是由于[Cl]-有腐蚀性，对镀层的破坏性比较大。当镀层上有裂纹或磨损时，[Cl]-会在Sn上发生点蚀，其发生的反应如下

如果有Cu暴露时，因Cu的电位比Sn大，构成原电池。Sn溶解，而Cu不溶解。

当盐雾进入腔体内，因内引线为金丝，Au的电位比Cu高，就构成Cu—Au原电池。Cu溶解，发生氧去极化反应，其反应过程如下

3.1.3 陶封电路

① 外引线

外引线管脚由于经常要磨损，会破坏电镀层，当镀层被破坏掉后，由于里面引线的材料是Ni—Fe合金。在盐雾试验中，对于Fe来说，因为Fe与 Au的电位相差很大，就形成了Fe—Au原电池，在[Cl]-的作用下，阳极会失去电子。发生析氢反应。它的反应如下

析氢反应

当镀层发生破坏时，在镀层Ni上会出现点蚀，其反应见式（6）、（7）。里面的Ni—Fe合金的反应见式（4）-（10）。

3.1.4 玻璃封装电路

盐雾与玻璃中的成分不反应，因而盐雾对玻璃没有腐蚀作用。玻璃封装电路的外引线是Ni-Fe，外面镀上Sn。当镀层有破裂时，发生点蚀现象。其反应过程见式（1）-（2）。当露出底面金属时，因Sn电位比Ni和Fe高，所以Ni和Fe发生腐蚀，反应过程见式（4）-（10）。

3.2 盐雾对电路芯腔的影响

由于塑封电路内引线为金丝，金的性质稳定，所以盐雾与它不发生反应。

3.2.1 陶封电路

内引线为铝丝。当盐雾进入到芯腔内部后，因 Au与Al的激活能不同，盐雾中的水气加上正负电极就会形成原电池，Al与Au分别构成原电池的阳极和阴极。[Cl]-使腐蚀速度大大加快，水气和[Cl]-共同使Al—Au键中的Al丝受腐蚀，其化学反应公式如下

部分Al（OH）3分解生成氧化物

上述反应会使Al丝导电性变弱，甚至断裂，使电路失效。

3.2.2 玻璃封装电路

内引线也为铝丝。盐雾进入后，因Sn的电位比Al高，够成Al-Sn原电池，其反应过程见式（11）-（12）。

从以上分析可以看出，试验中，由于原电池及腐蚀性离子[Cl]-的存在，在盐雾里发生一些电化学反应，导致腐蚀物的生成，破坏电路的表面和性能。