1 前言

　　鹽霧試驗(yàn)是集成電路可靠性試驗(yàn)之一，它可以用來(lái)檢驗(yàn)產(chǎn)品的抗腐蝕環(huán)境能力的強(qiáng)弱。而鹽霧試驗(yàn)所需的條件又比較多，這些條件會(huì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生一定的影響。

　　2 試驗(yàn)

　　一般我們做鹽霧試驗(yàn)的條件是鹽液：NaCl(無(wú)水);pH值：6.5～7.2;溫度：32-38℃;鹽霧沉積率：20000～50000/m2 (24h);鹽霧持續(xù)時(shí)間：24h，48h，96h，240h;鹽濃度：0.5%-3%。

　　鹽霧沉積率與鹽濃度是相對(duì)應(yīng)的，這是因?yàn)樗鼈冎g的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下式

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　　Sd為鹽霧沉積率;[Cl]-為氯離子濃度。

　　因?yàn)辂}濃度就是氯離子濃度,所以鹽濃度與鹽霧沉積率之間是相對(duì)應(yīng)的。

　　根據(jù)以上條件可以判斷，在進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)時(shí)，影響試驗(yàn)的主要條件有以下幾點(diǎn)：溫度;鹽液濃度;氧的溶解度;流速。

　　為了驗(yàn)證以上的條件對(duì)試驗(yàn)的影響，本文選用若干表面干凈的電路按下列方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　方法1：鹽選用NaCl(無(wú)水);溫度為35℃;時(shí)間為24h。流速一定;按鹽濃度為1%，2%，3%，4%，5%分五組進(jìn)行試驗(yàn)，每一組五個(gè)電路。

　　方法2：鹽選用NaCl(無(wú)水);濃度為3%;鹽霧沉積率為50000/m2*24h;時(shí)間為24h。流速一定;按溫度20℃，25℃，30℃，35℃，40℃，50℃分六組進(jìn)行試驗(yàn)，每一組五個(gè)電路。

　　方法3：鹽選用NaCl(無(wú)水);濃度為3%;鹽霧沉積率為50000/m2(24h);時(shí)間為24h。溫度為35℃;按流速正常和流速變大分兩組進(jìn)行試驗(yàn)，每一組五個(gè)電路。

　　另外，為了研究樣品的擺放對(duì)試驗(yàn)的影響，我們用方法4進(jìn)行試驗(yàn)。

　　方法4：將15只樣品平均分成三組，蓋板向上，樣品偏離垂直方向30°,45°,75°,90°進(jìn)行試驗(yàn)，其他試驗(yàn)條件是：鹽選用NaCl(無(wú)水);濃度為3%;鹽霧沉積率為：50000/m2(24h);時(shí)間為24h。流速一定;溫度為35℃。

　　試驗(yàn)后用純凈水清洗電路，放置1小時(shí)后，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

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　　3 試驗(yàn)分析

　　本文對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。在鹽霧試驗(yàn)中，由于各種金屬的電極電位不同以及它們?cè)邴}液中的過(guò)電位大小不一，所以在鹽霧中會(huì)發(fā)生很多的 電化學(xué)反應(yīng)。在陽(yáng)極是金屬失去電子，成為離子，在陰極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型有析氫反應(yīng)和氧去極化反應(yīng)等，其中氧去極化反應(yīng)(吸氧反應(yīng))是最主要的反應(yīng)類(lèi)型。它是由于鹽液中含有的溶解氧而 造成的，溶液中的氧可通過(guò)擴(kuò)散作用不斷地向陰極區(qū)移動(dòng)。

　　氧向電極表面擴(kuò)散決定整個(gè)吸氧腐蝕過(guò)程的速度，因?yàn)檠踉邴}溶液的溶解度是有限的，吸氧腐蝕速度往往被氧向金屬表面的擴(kuò)散速度所控制，也就是說(shuō)，金屬腐蝕速度是與氧在陰極還原的極限電流密度相一致的。

　　氧向陰極擴(kuò)散速度由Fick第二定律得出

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　　式中，D為溶解氧擴(kuò)散系數(shù);δ為擴(kuò)散層厚度;Ce為電極表面氧的濃度;C為溶液中氧的濃度。

　　電極反應(yīng)速度可由法拉第定律得出

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　　id：極限電流密度;n：價(jià)數(shù);F：法拉第常數(shù)。

　　當(dāng)電極反應(yīng)達(dá)到平衡，即擴(kuò)散控制時(shí)：V1=V2由公式(2)、公式(3)得出

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　　由于隨著電極反應(yīng)的進(jìn)行，電極附近氧原子不斷消耗，Ce降低，當(dāng)Ce→0時(shí)，公式(4)可變?yōu)?/p>

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　　從公式(5)中可以看出，極限電流密度id與擴(kuò)散層厚度δ、溶解氧擴(kuò)散系數(shù)D、溶解氧的濃度C、價(jià)數(shù)n等有關(guān);極限電流密度的大小也就意味著腐蝕速度的大小;其中D與環(huán)境溫度成正比。

　　3.1 溶液溫度的影響

　　從公式(5)中可知，溶液溫度升高，使溶液粘度降低，從而使溶解氧的擴(kuò)散系數(shù)D增加，所以溫度升高可以加速腐蝕過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1 (由表1中①的結(jié)果轉(zhuǎn)化而來(lái))。

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　　從圖1中知道，隨著溫度的升高，腐蝕速度也 在逐漸增大，但是當(dāng)溫度超過(guò)35℃后，腐蝕速度反而隨著溫度的增大而變?nèi)?。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生主要 是在溶液濃度一定的情況下，由于氧氣在溶液中的溶解度是與溫度成反比的。而腐蝕速度是受到兩個(gè)主要的因素來(lái)控制的，即溫度與溶解在溶液中的氧含量。在溫度低于35℃時(shí)，雖然氧的含量隨著溫 度的升高而降低，由于在這種情況下電化學(xué)反應(yīng)所需要的氧是足夠的，因而腐蝕速度受溫度控制。由于溫度的升高可以使溶解氧的擴(kuò)散系數(shù)D變大，所以在溫度小于35℃時(shí)，腐蝕速度(即電化學(xué)反應(yīng)速度)是與溫度成正比的。當(dāng)溫度高于35℃，隨著溫度的升高，溶液中的氧的含量降低，不能滿足電化學(xué)反應(yīng)所需要的含量。這時(shí)，腐蝕速度是受溶解氧的含量控制的，雖然溫度升高會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速度提高，但由于是氧在參與電化學(xué)反應(yīng)，因氧濃度降低，所以腐蝕速度逐漸地隨溫度的升高而減慢。

　　3.2 溶液濃度的影響

　　在鹽霧試驗(yàn)中，Cl離子的半徑小，破壞性很強(qiáng)。由于它的存在，使電路發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。當(dāng)NaCl溶液濃度增大，則Cl離子濃度也就變大，這時(shí)， 電化學(xué)反應(yīng)速度就應(yīng)當(dāng)變快。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2(表1中②的結(jié)果轉(zhuǎn)化而來(lái))。

　　由圖2可知，隨著鹽濃度的增大，腐蝕速度開(kāi)始是與濃度成正比的，但當(dāng)濃度超過(guò)3%后，腐蝕速度與濃度的關(guān)系是反比的，即反應(yīng)速度隨鹽濃度的增加而降低。氧的溶解度與濃度成反比關(guān)系。這是由于在一定溫度條件下，腐蝕速度是由兩個(gè)主要的因素，即鹽濃度與溶解在溶液中的氧含量來(lái)控制的。當(dāng)溶液中氧的含量能滿足電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，腐蝕速度受鹽濃度控制，即Cl離子濃度越大，發(fā)生的 反應(yīng)越強(qiáng)。當(dāng)濃度超過(guò)3%后，隨濃度的增加，溶解的氧的含量降低，不能滿足電化學(xué)反應(yīng)的需要， 這時(shí)，腐蝕速度是受溶液中氧的含量來(lái)控制。雖然Cl離子濃度變大，但此時(shí)起主要作用的是氧， 所以腐蝕速度隨濃度的增加而變小。

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　　3.3 氧的溶解度

　　從公式(5)中可知，溶解氧的濃度C增加，極限電流密度id增大，這樣溶液導(dǎo)電性增加，腐蝕 速度加快。表2是氧在海水中的溶解度關(guān)系。

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　　從表2中可以看出，溶解度是與外界環(huán)境條件 密切聯(lián)系的，即隨著濃度或溫度的增加而降低，此時(shí)擴(kuò)散速度減小，使腐蝕速度下降。我們通過(guò)降低外界環(huán)境溫度或降低鹽濃度，來(lái)使溶液中氧的濃度的提高。當(dāng) C增大，id變大，這時(shí)反應(yīng)速度(腐蝕速度)分兩種情況：①當(dāng)溶解氧不能滿足電化學(xué)反應(yīng)的要求時(shí)，氧的溶解度對(duì)腐蝕速度起主要作用，即腐蝕速度隨溶液中氧的濃度的增大而變大。②當(dāng)溶解氧能滿足電化學(xué)反應(yīng)的要求時(shí)，腐蝕速度受氧濃度C的影響變小，而主要受溫度或濃度的影響，即由于溶解度的增加，溫度降低或濃度降低， 使腐蝕速度降低。

　　3.4 流速

　　在氧濃度、溫度、鹽濃度一定時(shí)，流速的增加，使擴(kuò)散層厚度δ減小，由公式(5)可知，極限電流密度id變大，所以腐蝕速度增加。再看試驗(yàn)結(jié)果表1中的③，流速變大后，電路表面的腐蝕現(xiàn)象增加了，也就是說(shuō)腐蝕速度是與流速成正比關(guān)系的。

　　3.5 樣品擺放的影響

　　從表1④看，腐蝕現(xiàn)象隨角度變大而變得嚴(yán)重，我們研究該現(xiàn)象嚴(yán)重的原因。

　　圖3中左圖為樣品擺放的位置,右圖為鹽霧顆粒在蓋板上的受力情況。

　　下面來(lái)看一下鹽霧顆粒在樣品表面停留的時(shí)間。假定顆粒從樣品表面蓋板的上端向下端流動(dòng)，設(shè)蓋板的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，根據(jù)圖3中右圖的顆粒受力情況及動(dòng)力學(xué)原理，得出：

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　　從公式(8)中可知，樣品偏離垂直方向的角度α與時(shí)間t成正比,即當(dāng)α=0°時(shí)，t最小;當(dāng)α=90°時(shí)，t最大，鹽霧顆粒在樣品表面時(shí)間越長(zhǎng)，鹽沉積在表面蓋板上的就越多，對(duì)樣品的破壞性就越大。當(dāng)角度為0°時(shí)，樣品放置會(huì)不穩(wěn)定;角度為90°時(shí)，因鹽沉積量太大而影響試驗(yàn)的作用。因此，角度在10°-80°比較合適，一般取45°，即可使流速快又可使鹽沉積在蓋板上不多。該角度便于調(diào)制而且樣品放置方便。

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　　4 結(jié)論

　　通過(guò)以上的試驗(yàn)與結(jié)果分析，我們可以認(rèn)為在溫度小于35℃前，腐蝕速度與溫度成正比關(guān)系;當(dāng)超過(guò)35℃后，腐蝕速度與溫度成反比關(guān)系;在35℃腐蝕速度達(dá)到最大。鹽濃度小于3%前，腐蝕速度與濃度成正比關(guān)系;當(dāng)鹽濃度超過(guò)3%后，腐蝕速度與鹽濃度成反比關(guān)系;在3%時(shí)腐蝕速度達(dá)到最大。氧溶解度對(duì)腐蝕速度的影響是與溫度與鹽濃度相關(guān)的。采用溫度35℃、鹽濃度3%進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)可以在最短時(shí)間并且最有效地反映集成電路封裝的抗腐蝕能力。樣品的擺放偏離垂直方向的角度越大，試驗(yàn)越嚴(yán)酷，越小越寬松，試驗(yàn)時(shí)的角度為45°，可以兩者兼顧。