典型污染物在无铅焊料电化学迁移中的作用机理研究

With the explosive increase in the usage of electronics system and the widely application of no-clean flux in packaging of electronics, the electrochemical migration of solders caused by the contaminants is becoming a serious problem, which has strongly threatened the reliability of electronics. However, the influence mechanism of the contaminant in the electrochemical migration of solder is still unknown. In this proposal, the electrochemical migration of Pb-free solder (96.5Sn-3Ag-0.5Cu) in the contaminant containing environment will be in situ studied using Scanning Kelvin Probe, Raman spectroscopy and three dimensional microscope. The local potential distribution, local chemical composition distribution, morphology, migration rate and the dendrite growth rate will be in situ, real time and simultaneously monitored. The anodic dissolution, mass transport, cathodic reduction during the electrochemical migration of Pb-free solder in contaminant (flux residue, Cl-、SO2、H2S, etc.) containing environment will be investigated. Namely, the effect of typical contaminant on anodic dissolution rate, the formation and damage of passive films, ion migration, the formation of precipitates and complex and the dendrite growth will be discussed in detail. Finally, the mechanism of electrochemical migration of Pb-free solder in typical contaminant environment will be thoroughly understood. It is expected that this project can supply some theoretical guidance for the prediction, and the screening of materials and packaging in electronics.

随着电子系统使用环境的多样化，以及免清洗助焊剂在电子封装中的广泛应用，由污染物引发的焊料电化学迁移问题日益突出，给电子系统的可靠性带来严重威胁。然而，目前污染物在焊料电化学迁移中的作用机理还远未形成一致认识。本项目以96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料为研究对象，以扫描开尔文探针、拉曼光谱、三维显微镜为主要研究手段，开展典型污染物存在下无铅焊料电化学迁移行为的原位研究，实现电化学迁移过程中微区电位分布、微区化学成分、微观形貌、离子迁移速率和枝晶生长速率的原位、实时、同步监测/检测。深入研究典型污染物（助焊剂残余物、Cl-、SO2、H2S等）作用下的阳极溶解、传质、阴极还原行为，揭示典型污染物对阳极溶解速率、钝化膜的形成与破坏、离子迁移、沉淀和配合物的形成、枝晶生长的影响规律，明确典型污染物在无铅焊料电化学迁移中的作用机理。最终为电子系统的可靠性预测及电子系统的选材和封装提供理论指导。

随着电子系统使用环境的多样化，以及免清洗助焊剂在电子封装中的广泛应用，由污染物引发的焊料电化学迁移问题日益突出，给电子系统的可靠性带来严重威胁。然而，目前污染物在焊料电化学迁移中的作用机理还远未形成一致认识。本项目以96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料为研究对象，开展了典型污染物存在下无铅焊料电化学迁移行为研究。完成了既定的研究计划，取得了如下研究结果：.(1) 揭示了典型污染物在无铅焊料电化学迁移的阳极溶解中的作用机理.研究了Cl-、H2S等污染物作用下96.5Sn-3Ag-0.5Cu合金的阳极溶解行为，发现了Sn、Cu、Ag在电化学迁移中的选择性溶解特征，测定了液膜中多种离子的浓度分布，揭示了离子分布规律，并阐释了相关阳极溶解机制。.(2) 明确了典型污染物在无铅焊料电化学迁移的传质过程中的作用机理.通过拉曼光谱、ICP-MS、透射电镜和扫描电镜等，研究了不同环境下微区成分分布及其随时间的演化规律，测试了传质过程中离子的迁移速率，明确了典型污染物在96.5Sn-3Ag-0.5Cu合金电化学迁移的传质过程中的作用机理。并在考虑了离子反应、电迁移、扩散和对流等因素下，建立了相关传质模型。.(3) 揭示了典型污染物在无铅焊料电化学迁移的阴极过程中的作用机理.研究了污染物存在下，阴极直接生长行为，探究了枝晶生长位点和微区电位分布的相关性，探讨了阴极析氢对枝晶生长的影响，及其对传质过程的影响。.(4) 阐释了典型污染物在无铅焊料电化学迁移中的作用机理，建立了动力学机理模型.结合电化学迁移过程中的阳极溶解、传质和阴极沉积过程的研究结果，阐释了典型污染物作用下96.5Sn-3Ag-0.5Cu合金的电化学迁移机理。基于电路失效时间，考虑阳极溶解、传质过程和阴极沉积，建立了电化学迁移机理模型。.研究结果为电子系统的可靠性预测及电子系统的选材和封装提供理论指导。