在高温高湿或污染较重的使用环境中，一些看似完好的芯片会突然发生短路失效。这种问题往往并非由设计缺陷或制造瑕疵直接引起，而是源于一种缓慢却极具破坏性的物理化学过程——电化学迁移（Electrochemical Migration, ECM）。
简单来说，当芯片表面或封装内部同时存在水分、电压差和可溶性金属时，金属会逐渐“溶解”并沿着电场方向“生长”出导电的树枝状结构，最终桥接原本绝缘的线路，造成短路。这一现象在汽车电子、工业控制、户外通信设备中尤为常见。
本文将从失效原理、典型特征、检测手段到预防措施，全面解析ECM问题，帮助工程师提前识别风险、有效规避失效。
一、ECM是如何发生的？三大必要条件缺一不可
电化学迁移的发生需要三个关键要素同时存在，常被称作“ECM三角”：
- 水分或湿气
空气中的水汽在芯片表面凝结成薄层，形成导电通路。相对湿度超过60%时，风险显著上升。 - 电势差（电压）
相邻引脚或金属走线之间存在持续的直流或低频电压，驱动离子定向移动。 - 可迁移的金属材料
铜、银、锡等金属在潮湿环境中容易发生氧化并释放离子。其中，铜虽然导电性好，但比铝更容易参与ECM反应。
当这三个条件共存，金属就会从正极（阳极）开始“流失”，以离子形式穿过水膜，最终在负极（阴极）重新沉积，逐步形成导电枝晶。这个过程可能持续数周甚至数月，初期难以察觉，但一旦枝晶贯通，短路便瞬间发生。
二、如何识别ECM失效？典型特征一览
ECM失效具有高度特征性的表现，可通过多种手段进行识别：
🔍 外观与电性表现
- 肉眼或光学显微镜下：引脚之间可能出现白色、绿色或蓝绿色的腐蚀残留物；
- 电性能测试：绝缘电阻随时间持续下降，最终趋近于零，表现为功能异常或完全短路；
- 工作状态：设备在潮湿天气或高温高湿实验室中反复出现偶发性故障。
🔬 实验室分析手段
- 扫描电镜（SEM）：可清晰看到“树枝状”或“苔藓状”的金属沉积结构；
- 能谱分析（EDS）：若同时检测到铜、氧和氯元素，基本可确认为氯离子诱发的ECM；
- 离子残留检测：通过离子色谱分析封装内部是否存在卤素污染（如Cl⁻、Br⁻）；
- 表面绝缘电阻（SIR）测试：用于评估材料或工艺对ECM的抵抗能力。
💡 提示：ECM枝晶通常沿电场方向生长，且集中在引脚间距小、电压差大的区域，如电源与地之间。
三、哪些因素会加剧ECM风险？
以下几类常见问题会显著提升ECM发生的概率：
| 风险因素 | 具体影响 | 常见来源 |
|---|---|---|
| 助焊剂残留 | 吸湿性强，形成电解液环境 | 回流焊后清洗不彻底 |
| 卤素污染 | 氯、溴等离子加速金属溶解 | 助焊剂、清洗水、大气盐雾 |
| 封装密封不良 | 水汽长期侵入芯片内部 | 塑封开裂、引线框架分层 |
| 高密度引脚布局 | 缩短离子迁移路径 | QFN、BGA等紧凑封装 |
| 持续直流偏压 | 为离子迁移提供稳定驱动力 | 电源管理、传感器常供电场景 |
尤其值得注意的是，在无铅焊接普及后，许多高活性助焊剂被广泛使用，若未严格清洗，极易成为ECM的“温床”。
四、如何系统性预防ECM？五大实用策略
要从根本上降低ECM风险，需从材料、工艺、设计和验证多个环节协同入手：
1. 优选低风险材料
- 采用无卤或低卤助焊剂（符合J-STD-004B标准）；
- 选用具备抗离子迁移能力的塑封料或底部填充胶；
- 避免在高湿环境中使用含银焊料或裸露铜结构。
2. 强化清洗与干燥工艺
- 焊接后必须进行去离子水清洗 + 充分烘干；
- 对高可靠性产品，可增加等离子清洗步骤，提升表面洁净度；
- 定期监控生产线上的离子残留量，确保符合IPC Class 3要求。
3. 优化封装与PCB设计
- 增大高电压差引脚之间的电气间隙；
- 在敏感区域设置阻焊坝，防止污染物横向扩散；
- 对关键器件考虑使用气密性封装（如陶瓷封装）或底部填充技术。
4. 电路层面防护
- 避免相邻信号长期施加固定直流电压；
- 在非工作时段引入周期性断电或电压反转，打断枝晶生长；
- 对易受干扰线路增加保护电路，限制异常电应力。
5. 提前开展可靠性验证
- 执行85°C/85%RH偏压测试（THB） 至少1000小时；
- 进行表面绝缘电阻（SIR）测试，评估材料组合的抗ECM能力；
- 车规或户外产品建议增加更严苛的HAST测试（130°C/85%RH）。
总结
电化学迁移（ECM）是一种典型的环境诱导型失效，其发展隐蔽、后果严重，但完全可以通过科学的设计与严格的工艺控制加以预防。关键在于切断“水分-电压-金属”三者的共存条件，并在产品开发早期引入针对性的可靠性验证。
作为专业的芯片失效分析与可靠性测试服务商，上海德垲检测已为众多客户成功诊断并解决ECM相关问题，提供从污染检测、失效定位到改进方案的全流程支持。
如您在芯片ECM失效分析、封装可靠性提升或生产工艺优化方面有需求，欢迎联系我司获取专业服务。