Elektrochemische Migration, eine Form der Korrosion, vermindert als feuchtebedingte Fehlfunktion die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Baugruppen und ist häufig für klimabedingte Ausfälle verantwortlich. Durch die ständig steigenden Anforderungen im Sinne höherer Packungsdichten/der Miniaturisierung einerseits sowie äußerer Umwelteinflüsse auf der anderen Seite  rücken durch Feuchte und Verunreinigungen ausgelöste Fehlfunktionen in den Fokus, insbesondere bei Baugruppen, die wechselnden Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Beispiele dafür sind die Automobil-, Luftfahrt- und Telekommunikationsindustrie, die einen weltweiten Absatzmarkt bedienen und dabei die Funktionsfähigkeit der Elektronikkomponenten in jeder Klimazone, bei hohen Temperaturschwankungen und extremer Feuchte  gewährleisten müssen.

Typische Fehlerbilder sind bleibende und temporäre Kurzschlüsse. Auch temporäre Kurzschlüsse führen in der Regel zum Ausfall der Elektronik, sie geht üblicherweise in den Störmodus. Bleibende Kurzschlüsse können bis zur lokalen Überhitzung des Schaltungsträgers führen, wodurch das Polymermaterial graphitisiert oder die Baugruppe zu brennen beginnt. Doch wie genau entsteht Elektrochemische Migration, wie sind die Risiken dafür einzuschätzen und vor allem, wie vermeidet man sie? In der Praxis trifft man häufig auf Beschichtungsprozesse als vermeintliche Komplettlösung. Des Weiteren wird grundsätzlich das Thema Reinheit der Baugruppen diskutiert. Doch um die Frage für den Einzelfall konkret zu beantworten ist es wichtig, sich im Detail mit den zugrundeliegenden Prozessen zu befassen.

Voraussetzungen für die Entstehung von ECM

Bild 1: Kriechkorrosion durch Schadgas.

Bild 1: Kriechkorrosion durch Schadgas. Zestron

Der wesentliche Faktor für elektrochemisches Brückenwachstum ist die Anwesenheit von Feuchte, denn sie ermöglicht die Entstehung von Korrosion. Feuchte auf zwei Wegen erfolgen: zum einen durch auf den Oberflächen adsorbierte Feuchtefilme, zum anderen durch Betauung auf der Baugruppe entstehen.

Die für die adsorbierten Feuchtefilme nötige kritische Luftfeuchtigkeit hängt dabei stark von der Oberflächenenergie und -polarität ab, also vom Werkstoff und insbesondere der Lötstoppmaske und deren Füllgrad. Der kritische Wert ist häufig schon bei Luftfeuchten deutlich unterhalb des Taupunktes erreicht, also der Temperaturdifferenz, bei der sich erste Wassertropfen auf der Oberfläche bilden. Für Korrosionsvorgänge genügen beispielsweise Filmdicken von wenigen Monolagen.

Feuchtefilme und Betauung als Ursache

Neben adsorbierten Feuchtefilmen kann aber auch durch Temperaturwechsel induzierte Betauung zu Elektrochemischer Migration führen. Im Gegensatz zu den Feuchtefilmen konzentriert sich die Betauung auf die wärmeträgsten Stellen, also die Metallisierungen oder hygroskopischen Stellen wie Verunreinigungen. Organische Säuren oder Halogenidsalze als typische Lötrückstände ziehen den Taupunkt lokal bis auf 60 Prozent relativer Feuchte herab.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist der verwendete Werkstoff. Für einen Feuchtefilm ausreichende Lagenzahlen bilden sich etwa auf Metallen beziehungsweise metalloxidischen Oberflächen ab einer kritischen Feuchte von 60 bis 70 Prozent RH (Relative Humidity) oder auf quarzgefüllten Lötstoppmasken. Ebenso wirken Schadgase wie beispielsweise Stickstoffverbindungen, H2S und CO2, die sich zudem im Feuchtigkeitsfilm lösen (Bild 1).

Bild 2: Das Pourbaix-Diagramm von Zinn.

Bild 2: Das Pourbaix-Diagramm von Zinn. Zestron

Auf Aluminiumoxidkeramiken oder ungefüllten, unpolaren Lötstoppmasken werden für einen Feuchtefilm ausreichende Lagenzahlen erst bei über 90 Prozent RH oder darüber erreicht. An Sn-metallisiertem Epoxidharz-Substrat, also den Schaltungsträgern, schlägt sich die Feuchte bei konstantem Klima bevorzugt an den Kunstharzflächen nieder und wird bis zum Partialdruckgleichgewicht adsorbiert sowie gespeichert.

ECM-Anfälligkeit abschätzen

Ergänzend muss ein Metallisierungs- beziehungsweise Lotwerkstoff vorliegen, der Elektrochemische Migration ermöglicht, also einen Aktivbereich in alkalischen Elektrolyten aufweisen muss (graue Flächen in Bild 2). In destilliertem Wasser migrieren etwa insbesondere Silber, Kupfer, Blei, Zinn und Cadmium. Die Neigung zur Brückenbildung folgt hierbei sehr ausgeprägt den Potenzialen der Spannungsreihe und der Erweiterung des aktiven Werkstoffverhaltens im alkalischen Bereich. Bei Nickel kommt es dagegen unter Kondenswasserbedingungen nicht zur Migration beziehungsweise Korrosion. Die Anfälligkeit eines Elementes für Elektrochemische Migration ist mithilfe des pH-Potenzial-Diagramms, des so genannten Pourbaix-Diagramms abschätzbar (Bild 2).

Neben Feuchte und Werkstoff beeinflussen vor allem Rückstände und Verunreinigungen auf den Baugruppen die Entstehung Elektrochemischer Migration. Betauung wird vor allem dann begünstigt, wenn hygroskopische Flussmittelrückstände, Stäube oder Salzkristalle auf den Ober­flächen vorliegen, die als Kondensationsstellen beziehungsweise -keime für Feuchtigkeit und Schadgase wirken. Zusätzlich zur Adsorptionsbegünstigung wirken solche Verunreinigungen auf den Oberflächen als Feuchtespeicher, sodass etwa die ansonsten schnell verlaufende Rücktrocknung von Polymeren erst bei relativen Feuchten unter 30 Prozent RH gewährleistet ist.

Bild 3: Schematische Darstellung der Auflösung, Ionenwanderung und -abscheidung.

Bild 3: Schematische Darstellung der Auflösung, Ionenwanderung und -abscheidung. Zestron

Entstehungsmechanismen:

1. Anodische Metallauflösung

Infolge des auf der Baugruppenoberfläche adsorbierten Feuchtefilms sinkt der Oberflächenwiderstand und damit die notwendige Isolationsfähigkeit der Lötstoppmasken oder Schaltungsträger. Ab einer kritischen Filmdicke ermöglicht die Eigenleitfähigkeit des adsorbierten, reinen Wasserfilms die Elektrolyse. Diese führt zu einer lokalen, starken Alkalisierung an der Anode, das heißt an der Spannungsversorgung (VCC) oder den signalführenden Kontakten. Durch die pH-Werterhöhung werden insbesondere Silber, Kupfer, Zinn und Blei als die derzeit am meisten verbreiteten Metallisierungselemente in einen elektrochemisch aktiven Bereich polarisiert.

Infolge der dem Nebenschlussstrom zwischen Kontakt und Masse proportionalen Auflösung der Anodenfläche, also des Massekontaktes, entsteht eine hohe Metallhydroxid- oder je nach Elektrolyt eine Metall-Komplexkonzentration, die sich überwiegend längs dem Konzentrationsgradienten ausbreitet (Bild 3).

Die Kinetik der Auflösung erfolgt über eine direkte Lösung vom Gitterplatz, aus der Kantenlage bei an der Oberfläche ausgetretenen Versetzungen und an Fehlstellen oder über adsorbierte, so genannte ad-Atome bei kontinuierlicher Hydratation.

Fehlfunktionen und deren folgen

Höhere Packungsdichten und fortschreitende Miniaturisierung rücken durch Feuchte und Verunreinigungen ausgelöste Fehlfunktionen in den Fokus. Das gilt besonders für Baugruppen, deren Funktionsfähigkeit in jeder Klimazone, bei hohen Temperaturschwankungen und extremer Feuchte gewährleistet sein muss. Eine mögliche Ursache für Fehlfunktionen ist Elektrochemische Migration auf Grund von Feuchtefilmen oder Betauung. Erfahren Sie alles über die Voraussetzungen und die Entstehung Elektrochemischer Migration und deren Folgen.

Die Neigung zur Brückenbildung ist in Zusammenhang mit der Lösungs- beziehungsweise Solvatisierungsfähigkeit der jeweiligen Ionen zu sehen. Zur Migration des Silbers genügt etwa das sich in wässrigen Medien leicht bildende und sehr gut lösliche Ag(OH). Gold hingegen geht nur dann in Lösung, wenn sich ein Tetrachlorgoldkomplex bilden kann. Dies zeigt, dass einige Elemente unter Reinwasser-Bedingungen keine Brücken bilden können beziehungsweise die Migrationsneigung sich erst durch Verunreinigungen stark erhöht.

Bild 4: Dendritenwachstum.

Bild 4: Dendritenwachstum. Zestron

2. Wanderung der Metallionen

Die Wanderung der gelösten Metallisierungsionen wird anscheinend nur dann durch das anliegende elektrische Feld mitbestimmt, wenn die Leitfähigkeit des Elektrolyten ausschließlich von den Ionen der Metallisierung und nicht vom Grad der Kontamination abhängt. Diese Bedingung ist erfüllt, solange die Konzentration der auf der Leiterplatte gelöst vorliegenden Kontamination in der Größenordnung nicht die Kon­zentration der migrierenden Metallisierungsionen übersteigt.

Die Wanderung der Ionen ist dabei durch den Potenzial- und den Konzentrationsgradienten bestimmt. Der Potenzialgradient wird durch die anliegende Be­triebsspannung und den Leiterabstand bestimmt, der Konzentrationsgradient durch die Auflösungs- und die Diffusionsgeschwindigkeit der solvatisierten Metallisierungswerkstoffionen. Dabei hängt die Beweglichkeit der Ionen wesentlich vom Durchmesser der Komplexe nach der Solvatisierung ab sowie von der Auflösungsgeschwindigkeit der Signal- beziehungsweise Standby-Stromstärke und der aktiven Fläche. Ist der Potenzialgradient verglichen mit dem Konzentrationsgradienten der migrierenden Ionen klein, so diffundieren die Ionen entlang des Konzentrationsgradienten. Ist dieser hinreichend groß, kann es sogar zu einer Wanderung der Ionen gegen das elektrische Feld von Masse zum Kontakt kommen.

3. Abscheidung der Metallionen

Die eigentliche Brückenbildung erfolgt allerdings entweder durch galvanische Abscheidung ausgehend von der Kathode (GND) oder, seltener, durch das Ausfallen der Hydroxide, Oxyhydrate beziehungsweise Komplexe als Salze, das so genannte Staining von der Anode aus (VCC oder Signalkontakt).

Bild 5: Vergleich Wachstumsstrukturen - Faserbündel und Bänder.

Bild 5: Vergleich Wachstumsstrukturen – Faserbündel und Bänder. Zestron

Die galvanische Abscheidung findet bevorzugt an Stellen hoher Feldstärke statt. Liegen kleine Lösungsleitfähigkeiten auf Grund geringer Ionenkonzentrationen vor, drängen sich die Feldlinien an Spitzen und Kanten zusammen. Dies führt zum Ausbau der oberflächigen Gitterstörungen in den Lötstellen oder VCC-Metallisierungen, zu Mikrorauheiten und über Pyramidenwachstum zur Ausbildung dendritischer Strukturen (Bild 4). Liegen hohe Ionenkonzentrationen bzw. -gradienten vor, so werden glattere Wachstumsstrukturen begünstigt. Es bilden sich Bänder oder Faser­bündel (Bild 5).

Die Geschwindigkeit der Brückenbildung lässt sich durch größere und gerichtete Körner in der Lötstelle, also durch das Lötprofil, verringern. Die größeren Körner bewirken eine Verminderung der Fehlstellenzahl ,wie sie Korngrenzen einbringen. Hier liegt also ein Zielkonflikt mit der mechanischen Festigkeit der Lötstellen vor, da hierfür Feinkörnigkeit angestrebt wird.

Zu Staining kommt es, wenn die Löslichkeit der Hydroxide oder Komplexe im adsorbierten Feuchte- oder Betauungsfilm überschritten wird und sie als Salze wie etwa Zinnadipat ausfallen. Bei galvanischer Abscheidung ist zu erwarten, dass die Brücken überwiegend metallisch aufgebaut sind. Beim Staining hängt die Zusammensetzung der Brücken vom Elektrolyten ab, da sich hier Metallsalz- bzw. Komplexverbindungen bilden.

Bild 6: Stromtragfähige Dendritenbildung, gelbes und rotes Zinnoxid weist auf hohe Temperaturen hin.

Bild 6: Stromtragfähige Dendritenbildung, gelbes und rotes Zinnoxid weist auf hohe Temperaturen hin. Zestron

Die Migrationsbrücken können Entfernungen auf der Oberfläche wie auch im Inneren faserverstärkter Basismaterialien bis zu mehreren Millimetern überbrücken. Laufen die Dendriten längs der Fasern im Trägermaterial, wird die Elektrochemische Migration als CAF (Cathodic Anodic Filament Growth) bezeichnet.

4. Abgrenzung zu anderen Ausfällen

Im Interesse einer gezielten Ursachenabhilfe bei Ausfällen muss sich die Elektrochemische Migration von anderen Ausfallmechanismen mit dendritischem Erscheinungsbild unterscheiden lassen. Anzusprechen sind hier vor allem Spannungsdurchschläge und Graphitisierungen auf Bauelementen wie Bariumtitanatkondensatoren.

Spannungsdurchschläge werden vor allem durch Poren bzw. Blasen im Lötstopplack, seltener in Schutzlacken oder Vergussmassen hervorgerufen. Die verringerte Isolationsfähigkeit kann durch Feuchteeinlagerungen noch weiter sinken. Hier ist ursächlich die Porosität durch Optimierung der Lackierung anzugehen.

Je nach Qualitätsstandard gibt es am Markt auch Keramikkondensatoren mit organischen Beschichtungen, deren Isolationswirkung für den Einsatzfall oder durch Feuchte und Verunreinigung bedingt zu klein sein kann. Auch hier bilden sich dann wie bei der Porosität im Lötstopplack durch Spannungsdurchschlag bäumchenartige Graphitisierungen. Felderfahrungen zeigen, dass ein gewisses Maß an Beschichtung einen günstigen Einfluss zur Stabilisierung gegen Elektrochemische Migration liefert, da diese Schichten meist hydrophob sind.

Bild 7: Schadensfall durch Elektrochemische Migration (links) und Spannungsdurchschlag (rechts).

Bild 7: Schadensfall durch Elektrochemische Migration (links) und Spannungsdurchschlag (rechts). Zestron

Folgen Elektrochemischer Migration

Häufig ist Elektrochemische Migration als Schadensursache nicht oder nur mit großem Aufwand nachweisbar. Wenn bei kurzen Betauungszeiten von typischerweise wenigen Minuten nur kleine Dendriten auftreten, sind diese nicht stromtragfähig und brennen sofort wieder ab. Dies führt zu unzufriedenen Endnutzern, mitunter zu Imageschäden und je nach Anwendung zu hohen Folgekosten. Zum Nachweis müssten die betroffenen Schaltungen aus dem Feld zurückgeführt und rasterelektronenmikroskopisch auf ECM-Spuren untersucht werden. Schon aus logistischen Gründen ist dies häufig nicht möglich. Deshalb finden sich diese Ausfälle zusammen mit Softwarefehlern und Kriechstromeffekten unspezifisch als Fehlfunktion wieder.

Bei der Bildung beständiger, also stromtragfähiger Dendriten treten jedoch schnell Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius auf (Bild 6).  Verfügt die Schaltung also nicht über eine entsprechende Sicherung und Abschaltung, führen diese Temperaturen zum Brand. Da hierdurch aber die Schaltung zerstört wird, bleibt es in vielen Fällen spekulativ, ob die Brandursache auf Elektrochemische Migration oder etwa Spannungsdurchschläge zurückzuführen ist (Bild 7). Brände von Fahrzeugen bis Windkraftanlagen sind in der Regel jedoch in höchstem Grade imageschädigend.

SMT Hybrid Packaging 2016: Halle 7, Stand 321