为什么需要验证被动元件的硫化腐蚀? 而被动元件发生硫化腐蚀的失效机理又为何? 以及如何符合 ANSI/EIA-977 试验标准?
近年来由于人工智能（AI）、5G、大数据、物联网（IoT）、边缘运算、高效能运算与电动车的广泛应用，让电子被动元件的使用越来越多。因此电子产品的硬件设备可靠度能力，也越来越受到业界所重视。而在全球日趋严重的空气污染威胁下，无论是在室内或是室外的空气质量，也都将会直接或间接地影响电子产品的使用寿命。一般来说，这些电子产品易受到环境中的腐蚀性气体、水分、盐分、污染物、和悬浮微粒的影响，尤其是在含硫化气体污染高的环境。
由于电子被动元件的硫化腐蚀恐导致设备电气开路故障的风险，例如：表面贴装电阻与铁氧体磁珠。图一显示了 2014 年 NASA 网站上的全球二氧化硫监测情况。因此，下一代电子设备不仅需要高性能，还需足以有效抵抗恶劣环境的能力。
▲图一：2014 年美国国家航空暨太空总署大气化学和动力学实验室的全球二氧化硫监测数据（资料来源: https://so2.gsfc.nasa.gov/）
本期宜特小学堂，将介绍表面贴装电阻的硫化腐蚀失效机理?如何透过 ANSI/EIA-977 标准，验证被动元件的硫化腐蚀情形？测试方法为何？以及如何避免被动元件发生硫化腐蚀失效。
一、表面贴装电阻的硫化腐蚀失效机理
对于表面贴装电阻和铁氧体磁珠，通常使用银作为内层电极的主要材料。但银容易被硫腐蚀，逐渐转化为硫化银。图二显示了曝露于含硫化腐蚀性气体的终端环境中，导致表面贴装电阻的腐蚀失效。从芯片电阻与排阻处，观察到硫化银生长在电级末端与保护涂层之间的界面处。
▲图二：表面贴装电阻发生的硫化腐蚀现象（资料来源: Dr. Gert Vogel, Siemens AG, Amberg, Siemens, 2017 & iST 宜特科技实验室）
当银反应形成硫化银时，由于硫化银不导电，导致电阻值增加，因此表面贴装电阻的电极两端之间，没有电流流过引起电性的开路失效。图三显示针对典型硫化腐蚀失效的元件进行超高分辨率 3D X-Ray显微镜分析。从中可以观察到，硫化腐蚀的典型失效模式是由于内层的银电极腐蚀，导致表面贴装电阻的电性开路失效。
▲图三：针对典型硫化腐蚀失效的元件进行超高分辨率3D X-Ray 显微镜分析（资料来源：Dem Lee…Et al.,“Evaluation of the Anti-Sulfur Corrosion Capacity for Chip Resistor and Conformal Coating by Way of Flower-of-Sulfur（FoS）Methodology", International Microsystems, Packaging Assembly and Circuits Technology Conference 2018, Section 28, 2018）
图四则是说明了表面贴装电阻的硫腐蚀失效机理。在焊接过程中，焊膏沿着电阻元件电极的金属末端触点流动。由于表面张力的影响，导致电阻元件保护涂层下焊料的流失。因此，由于在表面贴装制程后，形成硫化腐蚀的路径，导致焊料不能完全防止硫化气体的入侵。
▲图四：表面贴装电阻的硫化腐蚀失效机理（资料来源：Dem Lee…Et al.,“An Effective Accelerated Method for Anti-Sulfur Corrosion Capacity Validation for Anti-Sulfur Type Electronic Passive Components”, p236-242, Harsh Environment Applications（HE）, SMTA International Conference 2020）
二、电子被动元件硫化腐蚀的鉴定：ANSI/EIA-977
为解决此一窘境，电子元件行业协会（Electronic Components Industry Association; ECIA）于 2017 年 2 月发布了一项标准 ANSI/EIA-977 试验标准（参见图五），定义了电子被动元件对环境硫化物的敏感性影响的试验选项。这类的敏感性导致银在液态或气态硫化合物存在的环境下发生腐蚀，可能导致元件的失效。
▲图五：ANSI/EIA-977 Test Method – Electronic Passive Components Exposure to Atmospheric Sulfur.（资料来源: Electronic Components Industry Association, ANSI/EIA-977：Test Method – Electronic Passive Components Exposure to Atmospheric Sulfur）
ANSI/EIA-977 标准试验方法是从 ASTM B-809 修改而来的。而 ASTM B809 标准试验方法是传统的湿硫磺蒸气试验。考虑到硫化银（Ag2S）的形成与相对湿度无关。因此，在 ANSI/EIA-977 试验中没有主动控制容器湿度。而硫蒸气的浓度由试验容器中的温度控制（元素硫蒸气在封闭系统中与硫粉末达到平衡）。
由于较高的试验温度，在 ANSI/EIA-977 试验中获得了较高的硫蒸气分压。这意味着 ANSI/EIA-977 试验具有更激进的反应性，并且还可以有效验证被动元件上发生的硫腐蚀失效。表一显示了 ASTM B809 与 ANSI/EIA-977 硫磺蒸气试验的比较。
▲表一：ASTM B809 与 ANSI/EIA-977 硫磺蒸气试验的比较。
三、零组件阶级的解决方案：抗硫化电阻（Anti-Sulfur Resistor; ASR）
为了提高抗硫化腐蚀的稳健性，许多供应商提供采用金与银钯基材的内电极设计（贵金属）之抗硫电阻（Anti-Sulfur Resistor; ASR）以及其他解决方案，包括保护覆盖层、奈米银线的电极和反向型结构的设计。图六显示使用双束电浆离子束（Plasma Focused Ion Beam ; PFIB）对抗硫化电阻进行横切面与元素分析。而此抗硫化电阻，具备了银钯基材的内电极与奈米银线的电极设计。
▲图六：使用双束电浆离子束（Plasma Focused Ion Beam ; PFIB）对抗硫化电阻进行横切面与元素分析（资料来源: iST 宜特科技实验室）
因此，ANSI/EIA-977 是目前业界唯一针对被电子被动元件进行抗硫试验的国际标准，也其抗硫化腐蚀能力判别的基本必要条件。
电子产品验证测试实验室－宜特科技提供各种抗硫化测试的服务，并且结合 ANSI/ISA 71.04-2013 标准在试验过程中评估此加速试验在 G2 或 G3 环境腐蚀等级的模拟年限；亦可结合实际终端环境的腐蚀程度并采以客制化的实验设计协助评估产品抗硫化腐蚀的寿命验证服务。若您想要更进一步了解细节，欢迎洽询 +886-3-579-9909 分机 1068 邱小姐│Email: marketing_tw@istgroup.com
（图片来源：宜特科技）
