PCB/PCBA短路、漏電、整機失效？別讓電化學遷移成為"漏網之魚"！

發布時間： 2026-07-02 00:00

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在PCB/PCBA失效分析領域，電化學遷移（Electrochemical Migration，ECM）是最隱蔽、也最具破壞力的失效模式之一。

它以兩種形態潛伏于產品中：

一是板面生長出金屬枝晶（Dendrite）；
二是板材內部沿著玻纖縫隙形成導電陽極絲（Conductive Anodic Filament，CAF）。

無論哪種形態，最終都可能導致短路、漏電甚至整機失效。

本文將從機理、條件、分析技術到預防策略，對這兩種失效模式進行系統解析，幫助您建立完整的ECM認知框架。

第一部分：板面枝晶生長——表面的"金屬樹枝"

1.1 定義與本質

板面枝晶生長動態圖

圖片來源：美信檢測實驗室

枝晶生長是指在PCB絕緣表面析出的樹枝狀金屬或其化合物。最典型的例子是銀遷移——在PCB表面可以看到枝條狀的金屬銀或氧化物。研究表明，枝晶不僅沿PCB表面生長，還可能沿著厚度方向滲透。

1.2 經典電遷移機理（以銀為例）

枝晶生長的本質是金屬離子在電場作用下的定向遷移，過程可分為三步：

金屬離子定向遷移圖

圖片來源：美信檢測實驗室

第一步：水的電解H?O→ H?+ OH?，H?向陰極移動生成H?，OH?富集于陽極。
第二步：陽極溶解Ag?+ OH?? AgOH?Ag?O+ H?O
第三步：離子遷移與陰極沉積Ag?O+ 2H?+ 2e?→2Ag + H?O

這一過程不斷循環，金屬銀從陰極向陽極"生長"，形成枝晶。

1.3 發生條件

潮濕環境：兩極之間產生液膜
直流電壓：提供離子遷移驅動力
可遷移金屬：Ag、Cu、Sn、Pb、Mo、Zn等

1.4 金屬遷移能力排序

Ag>Pb>Cu>Sn>Au

銀的遷移能力最強，是最典型的枝晶生長金屬。

1.5 關鍵影響因素

因素	影響機制
金屬組份	添加Pt、Au等抗遷移組分可提高合金抗ECM能力；無鉛高Sn釬料因形成穩定鈍態膜，耐離子遷移性通常優于SnPb
直流電壓	電壓越大，電場強度越高，陽極溶解和陰極沉積速率越快
環境濕度	濕度越高，液膜形成越快、越厚、越寬，越易引發ECM
工作溫度	溫度越高，電化學反應速率越快，加速腐蝕與遷移
工作時長	時間越長，枝晶越粗壯，越易引發局部短路

1.6 核心危害

枝晶生長圖

圖片來源：美信檢測實驗室

陽極空洞化：導致接觸不良、阻值升高
兩極短路：枝晶從陰極生長至陽極，造成短路失效

第二部分：導電陽極絲（CAF）——潛伏在板材內部的"銅絲"

2.1 定義與本質

CAF生長圖

圖片來源：美信檢測實驗室

CAF是指由于玻纖與樹脂間存在縫隙，在后期的正常使用過程中由于孔間電勢差作用，在濕熱的條件下，銅發生水解反應并沿著玻纖縫隙的通道遷移并沉積所形成。

與枝晶生長在板面不同，CAF隱藏在板材內部，更加隱蔽，檢測難度更大。

2.2 產生機理

陽極反應（銅溶解）：Cu → Cu2? + 2e?， H?O → ? O? + 2H? + 2e?
陰極反應（銅沉積）：Cu2? + 2e? → Cu， H?O + 2e? → ? H? + OH?

2.3 產生條件（四要素缺一不可）

電勢差：提供離子運動的動力
樹脂-玻纖間隙：提供離子運動通道
濕氣：提供離子化的環境媒介
金屬銅離子：遷移的物質基礎

2.4 CAF的兩種典型形態

CAF典型形態

圖片來源：美信檢測實驗室

水平玻纖方向：沿玻纖束水平遷移，常見于孔與孔、孔與線之間
垂直玻纖方向：沿玻纖束垂直遷移，常見于異層線與線之間

2.5 CAF形成的兩個階段

第一階段：通路形成在高溫高濕偏壓（THB）環境下，環氧樹脂與玻纖附著力劣化，玻纖表面硅烷偶聯劑發生化學水解，在界面處沿玻纖形成遷移通道。
第二階段：銅絲生長在電勢差驅動下，陽極銅被氧化成銅離子，沿通道向陰極遷移，與雜質離子生成不溶于水的銅鹽并沉積，最終形成導電銅絲。

2.6 關鍵影響因素

濕度是最關鍵因素。PCBA使用過程中吸收潮氣為電化學腐蝕提供反應媒介，當濕度低于臨界值時，CAF難以產生。

第三部分：失效分析技術路線

3.1 枝晶生長分析流程

步驟	技術手段	目的
電性測試	漏電流、絕緣電阻測量	確認異常
無損分析	X-Ray/CT透視、Thermal EMMI熱發射顯微鏡、光學檢查	定位與宏觀觀察
SEM+EDS、切片分析	SEM+EDS、切片分析	確認枝晶形貌、成分及遷移路徑
化學分析	FTIR紅外光譜、IC離子色譜、XPS	分析異物成分、腐蝕離子及化學價態
驗證分析	SIR驗證、ECM驗證	評估焊接輔料絕緣性能及ECM風險

3.2 CAF分析流程

步驟	技術手段	目的
熱成像定位	Thermal EMMI（參考T/CSTM 01024-2023）	無損精確定位失效點
切片分析	水平研磨、垂直研磨	沿玻纖方向觀察遷移通道
金相確認	顯微鏡觀察	確認玻纖束內是否存在金屬銅沉積