发布日期：2019/9/5creep corrosion
发布单位：iST宜特
您知道空气中的硫化物 会造成爬行腐蚀(Creep Corrosion)吗?
如何简便迅速地确认爬行腐蚀是否会发生?
近年来由于人工智能 (AI)、大数据、5G、物联网 (IOT) 与边缘运算的广泛应用，随着这些题材的发酵，让云端数据处理中心硬设备的可靠性能力越来越受到重视。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云端数据处理中心电子设备的使用寿命。
一般来说，这些电子产品易受到环境中的腐蚀性气体、水分、污染物、和悬浮微粒的影响，让敏感性电子组件与印刷电路板产生爬行腐蚀的失效现象，严重恐导致设备电气短路故障的风险。因此，在产品出厂前，验证未来产品是否有抵抗爬行腐蚀的能力极为重要。
Creep corrosion
爬行腐蚀是属于硫化腐蚀 (Sulfur Corrosion) 其中一种的失效机理，典型的案例可由印刷电路板 (Print Circuit Board; PCB，参见图一) 与导线架封装 (Leadframe Packages，参见图二) 组件最为常见。由于裸露的金属铜接触到环境中硫化物的腐蚀性气体进行反应生成硫化亚铜 (Cu2S) 的腐蚀产物，其固体腐蚀物沿着电路与阻焊层/封装材料表面迁移生长的过程，导致相邻焊盘和电路间的电气短路失效现象，我们称之为爬行腐蚀的失效模式。
图一:印刷电路的爬行腐蚀
(图来源: Barry Hindin, Ph.D, Battelle Columbus Operations)
图二:导线架封装组件的爬行腐蚀 (受限于导线架镀层与封装材料气密性)
(图来源: Dr. P. Zhao, University of Maryland)
一、如何验证爬行腐蚀-传统MFG试验手法
传统爬行腐蚀验证方法，会采用混合流动气体 (Mixed Flowing Gas; MFG)腐蚀试验，其可控制试验参数，包括温度、湿度、腐蚀性气体的种类、浓度与流速…等等，并可以不断地置换反应器内部的腐蚀性气体。
由于其可控制的试验参数众多、架设复杂且能持续地提供新鲜的腐蚀性气体的特性，因此对于实际终端的环境条件具备较高的模拟能力与试验的应用性，但却也同时造成试验成本昂贵的问题，并非能所有产业链的客群所接受并采用。
二、便宜简便的传统FoS试验手法，可以验出爬行腐蚀吗?
传统的FoS试验(ASTM B809 FoS)，由于可控制的试验参数只包含温度与湿度，参数较少、架设简易且为单一硫化物腐蚀性气体做试验的特性，相对于MFG试验，FoS实验成本低、测试时间短，不过却也同时造成试验应用性较低的问题。
此外，只含单一硫化物腐蚀性气体，亦是无法诱发表面爬行机理的产生；即便是在高湿度的试验条件下，我们也只能观察到腐蚀产物虽有轻微的迁移生长，但却只局限于金属表面的区域而不会有任何爬行腐蚀的特征现象。
也就说，若要有效验证「爬行腐蚀」的失效问题，使用传统FoS试验(ASTM B809 FoS)手法，是测不太出来的!
一般传统的ASTM B809 FoS 试验方法其主要目的，是用来评估金属镀层的孔隙度，所以绝大部分所观测到腐蚀现象是属于「孔隙腐蚀」 (Pitting/Pore Corrosion) 而并非所谓的「爬行腐蚀」。
三、新型iNEMI FoS试验手法快速简便验证爬行腐蚀
MFG的试验成本昂贵、测试时间长；而传统FoS试验成本便宜、测试时间短，但却无法有效测出爬行腐蚀。
为解决此一窘境，国际电子生产商联盟 (International Electronics Manufacturing Initiative ; iNEMI ) 于2018年8月特别针对爬行腐蚀的验证发表了一份白皮书 (White Paper，参见图三)。
而其中，宜特实验室与国际系统大厂共同剖析造成爬行腐蚀的关键因子，并研究开发出符合经济效益、简便迅速地验证电子产品爬行腐蚀失效的测试方法: iNEMI 硫磺蒸气 (Flower of Sulfur; FoS) 腐蚀试验。
圖三: iNEMI的爬行腐蚀验证白皮书 (White Paper_iNEMI FoS Test)。
四、新型iNEMI FoS与传统FoS试验差异之处？
iNEMI FoS此实验设计有别于传统的FoS 试验(ASTM B809 FoS)方法，其主要差异如以下所示：
- 湿度控制：区分三阶段的湿度试验 (低、中、高)，更能有效地呈现各种材料对湿度的敏感性。
- 气体流速：引用气体流速的来增加试验样品与腐蚀性气体的碰撞频率，亦能有效地提高腐蚀反应速率并减少试验周期与条件平衡所需的时间。
- 导入氯气：由于氯气的因子使其可诱发腐蚀产物爬行机理的产生，因此可以有效地复制爬行腐蚀失效的现象。
- 试验前样品的预处理：藉由样品的预处理，更能有效地降低 VOC 对试验腐蚀反应速率的影响。
除此之外，相较于 MFG 国际规范的试验条件中，其氯气的浓度普遍偏低 (≤ 50 ppb)，由于 iNEMI FoS 试验条件具备较高浓度的氯气 (≥ 100 ppb)，因此更能有效地验证电子产品爬行腐蚀失效的问题。
Standards ASTM B809 FoS iNEMI FoS Temperature 50℃ 50℃ Humidity 82% 11%-95% Corrosive Gas S8 S8 + Cl2 Gas Flowing X O Major Mode Cu2S… Cu2S… Corrosion Mode Pore/Pitting Corrosion
(Limited Metal Area)Creep Corrosion Feature 
图出处:iST宜特科技
图出处:iST宜特科技Pre-Treatment X O Industry Porosity of Metal Coating PCB/PCBA , IC Leadframe Package 表一: 各种硫磺蒸气 (Flower of Sulfur; FoS) 腐蚀试验方法之比较
五、iNEMI FoS爬行腐蚀失效的判定标准
iNEMI FoS试验结果的判定标准可区分为外观检测与功能性/电性量测，一般皆以功能性量测的结果为最终试验成果的判定依据。但唯有爬行腐蚀的失效试验，可以直接藉由外观检测的结果来进行最终试验成果的判定，其外观检测的判定标准如下表(表二)所示：
Ranking Rank 0 Rank 1 Rank 2 Rank 3 Rank 4 Mode No Corrosion Pad/Edge Corrosion Light Creep Corrosion (<1/3 gap) Light Creep Corrosion (>1/3 gap) Heavy Creep Corrosion (Bridge) Features Photo
(photo by iST宜特科技)
Description Oxidation or tarnishing is OK. Corrosion limited to pads or holes only, no spread. Corrosion spreading from pads or holes, but not bridging between features. Corrosion spreading from pads or holes has potential bridging risk between features. Severe corrosion, bridging between features already. Results Passed Passed Passed Failed Failed 表二: iNEMI FoS Test爬行腐蚀失效的判定标准
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环境腐蚀等级的仿真年限；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3003李先生 (Dem Lee) │ Email: WEB_GE@istgroup.com