在看似洁净的使用环境中，芯片也可能因微量大气污染物悄然失效。金属腐蚀是封装级失效中最常见的环境诱导模式之一，尤其在工业、海洋或高污染地区部署的电子设备中频发。其罪魁祸首往往是空气中难以察觉的氯离子（Cl⁻）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ） 等腐蚀性成分。
当这些污染物通过封装缝隙或吸湿性材料侵入芯片内部，并在偏压和湿气作用下，会迅速引发铝（Al）或铜（Cu）互连线的电化学腐蚀，导致开路、高阻或功能异常。而扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDS） 是揭示此类失效最直接、最有力的工具。
本文将系统梳理金属腐蚀的环境诱因、失效机理及关键FA证据，帮助工程师精准识别并预防此类“隐形杀手”。
一、哪些环境污染物会引发芯片金属腐蚀？
并非所有污染物都具有同等破坏力。以下三类物质是芯片金属腐蚀的主要推手：
| 污染物 | 来源 | 腐蚀机制 |
|---|---|---|
| 氯离子（Cl⁻） | 海洋盐雾、汗液、助焊剂残留、清洗水 | 破坏金属钝化膜，引发点蚀与缝隙腐蚀，对Al和Cu均高度敏感 |
| 二氧化硫（SO₂） | 工业废气、燃煤排放 | 与水反应生成亚硫酸/硫酸，降低pH值，加速金属溶解 |
| 氮氧化物（NOₓ） | 汽车尾气、高温燃烧 | 形成硝酸，强氧化性促进阳极溶解 |
⚠️ 特别注意：即使浓度低至ppb级别，在高温高湿条件下，这些污染物仍可引发显著腐蚀。
二、铝 vs 铜：不同金属的腐蚀特征对比
尽管Al和Cu都是常用互连金属，但其腐蚀行为和形貌存在明显差异：
| 特征 | 铝（Al） | 铜（Cu） |
|---|---|---|
| 常见腐蚀类型 | 点蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀 | 枝晶腐蚀、均匀腐蚀、电化学迁移（ECM） |
| 典型腐蚀产物 | Al₂O₃·nH₂O（白色絮状）、AlCl₃（易挥发） | Cu₂(OH)₃Cl（绿色碱式氯化铜）、CuSO₄（蓝色） |
| SEM形貌 | 表面出现蜂窝状孔洞，边缘锐利 | 树枝状沉积物或大面积剥落，表面粗糙 |
| EDS关键信号 | Al峰减弱，伴随Cl、O、S强峰 | Cu峰局部消失，Cl/O/S显著富集 |
💡 提示：铝腐蚀常表现为“开路”，而铜腐蚀更易伴随“短路”（因枝晶生长），两者失效模式截然不同。
三、FA中的关键证据：如何用SEM/EDS锁定腐蚀根因？
在失效分析中，以下证据链可有效确认金属腐蚀及其诱因：
✅ 1. 宏观与光学初筛
- 引脚或焊点周围出现白色、绿色或蓝绿色残留物；
- 器件在高湿季节反复失效，干燥后部分恢复。
✅ 2. SEM高倍形貌观察
- 铝线：表面布满微米级蚀坑，呈“火山口”状，严重时金属完全剥落；
- 铜线：可见苔藓状或树枝状沉积物，沿电场方向延伸；
- 通孔或焊盘：边缘优先腐蚀，呈现“缺口”或“断颈”特征。
✅ 3. EDS元素分析
- 在腐蚀区域检测到异常高的Cl、S、Na、K等外来元素；
- Cl/Cu原子比 > 0.3 通常指向氯化物腐蚀；
- 若同时存在S和O，则可能涉及SO₂衍生的硫酸腐蚀。
📊 典型EDS判定标准（参考IPC-TM-650 2.3.28）：
- Cl⁻残留 > 0.5 μg/cm² → 高腐蚀风险
- S含量显著高于本底 → 怀疑工业大气污染
四、诱发腐蚀的三大“帮凶”条件
金属腐蚀的发生需多个条件协同作用：
| 条件 | 作用 | 控制建议 |
|---|---|---|
| 湿气（RH > 60%） | 提供电解质溶液，激活离子迁移 | 采用高密封装（如陶瓷）、加强防潮设计 |
| 直流偏压 | 驱动阳极溶解与离子定向移动 | 避免长期施加固定电压，引入周期性断电 |
| 封装缺陷 | 为污染物提供侵入通道 | 优化塑封料粘接性，避免分层或开裂 |
🌍 环境等级参考：
- Class G1（良好）：城市办公环境，腐蚀风险低；
- Class GX（极端）：化工厂、海边，需特殊防护（IEC 60721-3-3）。
五、预防金属腐蚀的工程策略
- 材料层面
- 使用无卤助焊剂，严格控制清洗工艺；
- 在铜互连中添加Mn、Sn等合金元素提升抗蚀性；
- 采用氮化钛（TiN）或钽（Ta）阻挡层抑制离子扩散。
- 封装层面
- 选用低吸湿性塑封料（如含硅氧烷改性环氧树脂）；
- 对高可靠性产品采用气密性封装（如金属/陶瓷管壳）；
- 增加底部填充（Underfill） 密封边缘。
- 系统层面
- 在PCB布局中增大高电压差走线间距；
- 添加共形涂层（Conformal Coating） 隔绝湿气与污染物。
总结
芯片金属腐蚀是一场由环境、材料与电应力共同导演的“慢动作灾难”。其初期隐蔽性强，但一旦爆发往往造成不可逆损伤。通过SEM观察腐蚀形貌 + EDS识别特征元素，可高效锁定Cl⁻、SO₂等污染源，为改进设计与工艺提供明确方向。
作为专业的芯片失效分析机构，上海德垲检测已建立完整的腐蚀失效分析流程，涵盖离子色谱（IC）、XPS表面化学分析、温湿度加速试验及EDS/SEM联动定位，助力客户从“失效”走向“可靠”。
如您在金属腐蚀失效分析、污染源排查或封装防护方案验证方面有需求，欢迎联系我司获取专业支持。