择要：随着欧盟无铅化进展，以及亚太发展中国家环境的赓续恶化，爬行腐蚀征象引起业界的广泛关注。本文通过调研业界相干研究数据，探究了爬行腐蚀的产生机理、影响因素以及可能的预防措施与评估方法。

硫和硫化物是电子产品的天敌，厚膜电阻的硫化失效已为业界熟知（图1）。但随着电子产品无铅化的进展，爬行腐蚀（Creep corrosion）题目也渐渐引起业界的关注（图2）。根据相干报道，这种腐蚀发生的速度很快，甚至有些单板运行不到一年即发生失效。

马里兰大学较早研究了翼型引脚器件上的爬行腐蚀，并对腐蚀机理进行了初步的探究[1,2]。与枝晶、CAF类似，爬行腐蚀也是一个传质的过程，但三者发生的场景、生成的产物以及导致的失效模式并不完全雷同，详细对比见表1。

爬行腐蚀的机理
马里兰大学的Ping Zhao等认为，爬行腐蚀过程中首先发生的是电化学反应，同时伴随着体积膨胀以及腐蚀产物的消融/扩散/沉淀[1]。即，首先是铜基材被氧化失去一个电子（可能伴有贵金属如Au等的电偶加速作用），生成一价铜离子并消融在水中。因为腐蚀点附近离子浓度高，在浓度梯度的驱动下，一价铜离子会自觉地向四周低浓度区域扩散。当环境中相对湿度降低、水膜变薄或消散时，部分一价铜离子会与水溶液中的硫离子等结合，生成响应的盐并沉积在材料外观，如图3所示。

爬行腐蚀的产物以硫化亚铜为主，这是一种P型半导体，不会造成短路的立即发生；但随着其厚度的增长，其电阻减小。此外，该腐蚀产物的电阻随湿度的转变急剧转变，可从10M欧姆降落到1欧姆[2]。

环境因素的影响

温度从化学反应动力学的观点来看，温度升高，化学反应速率会加快，但相对湿度也会降低。因此，现实温度到底在多大程度上影响了爬行腐蚀的速率目前尚不明确。

湿度
业界研究注解，只需50％的湿度，PCB外观就会形成一层水膜。Leygraf，C等人的研究认为，随着相对湿度从0～80%之间转变，干净金属外观可沉积2～10分子层的水膜[3]。

根据爬行腐蚀的消融/扩散/沉积机理，湿度的增长应该会加速硫化腐蚀的发生。Ping Zhao等人认为，爬行腐蚀的速率与湿度呈指数关系[1]。Craig Hillman等人在混合气体实验研究中发现， 随着相对湿度的上升， 腐蚀速率急剧增长，呈抛物线状[4]。由图4可见，当湿度从60%RH增长到80%时，腐蚀速率变为原来的将近3.6倍。此外，作者也指出，此规律仅适用于铜的硫化；对于银而言，湿度增长，腐蚀速率无显明转变。

电压梯度
马里兰大学的Ping Zhao、Michael Pecht等设计了SIP假件，并向引脚间施加0～20V不等的电压（图5），在Telcordia Outdoor MFG Ⅱ级实验15天后，加/不加电压的SIP的引脚均出现了腐蚀，且腐蚀程度也无显明差别。作者认为，电压对爬行腐蚀无显明影响[2]。

腐蚀性气体种类与浓度的影响
业界公认硫化氢是可以导致爬行腐蚀的，这已被大量的案例和实验证实。HP认为，对于电子产品，环境硫化氢的浓度最高不能超过4.2ug/m3（正常大气中硫化氢浓度约为0.5 ug/m3）[5]。

单纯的二氧化硫是否可以导致爬行腐蚀，目前还没有明确结论。Leygraf，Rice的认为二氧化硫是导致Ni腐蚀的重要因素[3]。西安中大科技有限公司的赵晓利、张宝根等人通过化学方法制备了10±3ppm的SO2气氛，并将铜片置于其中。实验效果发现，40±2℃、96小时后，铜片外观生成大量黑色腐蚀产物；作者认为是CuSO4与CuS的混合物[6]。

M. Reid、Abbott用MFG实验研究了SO2的影响，混合气体实验中(H2S 100ppb，NO2 200ppb，Cl2 10ppb)，SO2的量则分为0、100、200ppb三个等级。实验发现。三种条件对铜的腐蚀并无显明区别。但作者也指出，因为实验中使用的是纯铜而不是镀镍的样品，因此建议混合气体实验中仍然保留二氧化硫[7]。

Rice认为，爬行腐蚀的隐蔽期和爬行距离取决于Cl2浓度[4]，爬行的倾向与湿度直接相干。Haynes在不同气氛中的实验注解，爬行腐蚀（以腐蚀产物的厚度和爬行距离表征）程度有以下排序[8]：高Cl2-高H2S > 高Cl2-低H2S > 低Cl2-高H2S；好像也从侧面说明氯气的确有加速爬行腐蚀的作用。

M. Reid、Abbott在MFG实验中发现NO2对铜、银的腐蚀影响不显明。作者在现实环境中的长期实验注解，NO2对于银的腐蚀的确有加速作用，但并未提及对铜的影响。

PCB/器件的设计、加工与组装
爬行腐蚀除了可以在PCB上发生外，其在连接器、SIP等翼型引脚器件上也会出现。相干研究注解，PCB、器件的设计与制造，后续SMT组装均会对爬行腐蚀的发生产生影响。

基材和镀层
Conrad研究了黄铜、青铜、铜镍三种基材，Au/Pd/Sn-Pb三种镀层结构下的腐蚀速率[9]，实验气氛为干/湿硫化氢。效果发现：基材中黄铜抗爬行腐蚀能力最好，Cu-Ni最差；外观处理中Sn-Pb是最不容易腐蚀的，Au、Pd外观上腐蚀产物爬行距离最长。

赵晓利、张宝根等认为，镀金层的微孔率对其抗腐蚀性能有很大影响，只有当金的厚度> 5 u m时，才基本上无孔洞，此时才有较好的抗腐蚀能力[ 6 ]（图6）。与镀金层类似， 镀镍层也是多孔性的，因此NiAu镀层在硫化气氛下同样会发生腐蚀。

Pecht等人认为，可以用“外观扩散系数”来定义腐蚀产物在某些外观上的运动性[2]。研究注解，金、钯都有很高的外观扩散系数。对于单板而言，腐蚀产物爬行路径多为塑封体、阻焊、连接器基座等复合材料，至于这些材料的“外观扩散系数”有多大，其外观特征如何影响爬行腐蚀，目前业界未见报道。

PCB设计
Alcatel-Lucent、Dell、Rockwell Automation[10, 11, 12] 等公司研究了不同外观处理的单板抗爬行腐蚀能力，认为HASL、ImSn抗腐蚀能力最好，OSP、ENIG适中，ImAg最差。

Alcatel-Lucent认为各外观处理抗腐蚀能力排序如下：ImSn～HASL>> ENIG> OSP > ImAg。

Dell的Randy研究认为，当焊盘为阻焊定义时，因为绿油侧蚀存在，PCB露铜会较为紧张，因而更容易腐蚀(图7)。采用NSMD方式可有用进步焊盘的抗腐蚀能力[11]。

翼型引脚器件
某些翼型引脚器件引脚存在dam-bar切口，或后续成型造成折弯处镀层破损，从而成为硫化气氛下的腐蚀风险点。图8是马里兰大学的Ping Zhao、Michael Pecht在混合气体实验中的样品，可以看到腐蚀产物在塑封体上蔓延，造成了多个引脚搭接。

单板组装

1、回流
回流的热冲击会造成绿油局部产生细小剥离，或某些外观处理的破坏（如OSP），使电子产品露铜更紧张，爬行腐蚀风险增长。因为无铅回流温度更高，故此题目尤其值得关注。

2、波峰焊助焊剂
据报道，在某爬行腐蚀失效的案例中，腐蚀点均发生在夹具波峰焊的阴影区域四周，因此认为助焊剂残留对爬行腐蚀有加速作用[13]。其可能的缘故原由是，一方面助焊剂比较容易吸潮，造成局部相对湿度增长，反应速率加快；另一方面，助焊剂中含有大量污染离子，酸性的H+还可以分解铜的氧化物，因此也会对腐蚀有肯定的加速作用。

PCBA防护措施
涂覆无疑是防止单板腐蚀最有用的措施之一。此外，通过一些新材料的应用也可以提拔抗腐蚀能力。Cookson的Jim Kenny等人认为，在化银PCB外观沉积上一层自组装分子膜（图9），可以提拔化学银单板的抗腐蚀能力[14]。

相干评估方法 

目前业界常用MFG实验来评估电子产品的抗爬行腐蚀能力，试验箱如图10所示。腐蚀气体从钢瓶出发，按照设定比例与空气混合后进入试验箱。实验箱带有温湿度控制体系，且可对箱体内腐蚀气体浓度进行监控，以便气体浓度降落后及时增补。此外，根据所用气体种类的不同，试验箱后带有响应的废气回收装配。

Battelle Labs、EIA、IEC、Telcodia等行业组织都发布了MFG实验方法，但各种方法的实验条件不一（如BattelleLabs四个等级的实验都不用SO2），缺乏同一的标准。另根据MacDermid的实验数据，现有MFG实验条件加速应力

过低，并不能有用地复现爬行腐蚀失效[15]。这也是2010年iNEMI筹建项目组进行板级MFG实验方法研究的缘故原由。

因为粘土中含有大量的单质硫，因此也常用于简易硫化实验。通常的做法是：将粘土装入纸杯后用水打湿，放入密闭腔（图11），再在50℃下保持30分钟左右掏出，在透风处静置。上述步骤天天重复2次。还有人通过化学反应产生硫化气氛，如NaHS和稀硫酸混合生成硫化氢。与昂贵的MFG实验相比，粘土法、化学法比较经济，操作方便。但瑕玷是二者无法正确地控制气氛浓度，因此一样平常只用做不同样品的优劣对比。

行业研究近况与方向 
不难看出，随着全球工业化的发展，大气将进一步恶化，爬行腐蚀受到了电子产品业界自元器件供给商/PCB制造商/OEM厂商以及研究机构的普遍关注。

截至当前的研究效果注解，需从以下的维度体系考虑规避措施：设计上要削减PCB/器件露铜的概率；来料方面需控制加工质量；组装过程要削减热冲击及污染离子残留；整机设计要增强温湿度的控制；机房选址应避开显明的硫污染源。最后，为评估产品的抗腐蚀能力，合适的可靠性实验评估方法也是必须的。

目前，iNEMI在研究爬行腐蚀的影响因素，并旨在建立合适的MFG实验方法和更正确的加速模型。虽有部分厂商宣称已解决了此题目，但总的来看，业界仍迫切必要增强两个方向上的研究：

1、腐蚀机理。大气中的哪些硫化气氛（如二氧化硫、单质硫、有机硫化物等）会导致爬行腐蚀；腐蚀的发生是否存在湿度门槛值；产物爬行的机理和驱动力是什么，物质外观特征，比如不同外观处理/绿油，连接器塑封材料等对爬行腐蚀有什么影响；等等方面，目前均未有公认的结论。

2、评估方法。当前各种标准的MFG测试方法最早均源自于连接器触点腐蚀的评估，其加速模型建立也源于纯金属片的腐蚀失重数据，均未针对PCB的爬行腐蚀机理。虽然在许多报道中均认为行使此测试环境可以复现爬行腐蚀，但在如湿度，二氧化硫浓度等等诸多因素的影响上均存在争议，其加速模型也普遍被认为无法适用。

期待各研究机构与业界企业增强联合，在以上领域深入研究，尽早规避爬行腐蚀带来的风险。