塵土中可溶性鹽對電路板絕緣失效的影響

周怡琳　蘭福東

(北京郵電大學自動化學院　北京　100876)

塵土中可溶性鹽對電路板絕緣失效的影響

周怡琳蘭福東

(北京郵電大學自動化學院北京100876)

摘要隨著電子設備的小型化，印制電路板的導線間距變小，使得導線間電化學遷移失效問題更加突出。同時，大氣污染嚴重，塵土顆粒沉積吸附在電路板上，其中的可溶性鹽會改變電路板表面吸附水膜的離子濃度，從而改變線間絕緣失效機理和失效時間。使用浸銀Y形電路板，采用不同濃度氯化鈉溶液和塵土溶液水滴實驗的方法來研究電路板表面存在可溶性鹽溶液的情況下導線間絕緣失效特征與失效時間的變化規律。發現隨著溶液離子濃度的升高，電路板絕緣失效機理由電化學遷移轉變為離子性導電，失效時間呈現先減小后增大再陡降的趨勢。存在促進陽極金屬快速形成電化學遷移的可溶性鹽溶液濃度Ca、由電路板陽極金屬離子遷移形成晶枝導電向離子導電為主導轉換的鹽溶液濃度Cb及直至完全抑制電化學遷移的鹽濃度Cc。

關鍵詞：絕緣失效塵土污染電化學遷移離子溶度水滴實驗

0引言

隨著科技的發展，電子器件的集成密度不斷提高，器件內部尺寸和間距變得越來越小，根據IPC-2221A標準[1]，PCB外層無涂層導體的最小間距可達0.1 mm，間距越小，相鄰線路就越容易受到溫度、濕度、電場等因素的作用[2]，從而發生電化學遷移導致的線間絕緣失效故障。

電化學遷移(Electrochemical Migration，ECM)最早是由美國 Bell 實驗室的G.T.Kohman等[3]率先在電話交換機的鍍銀端子上發現的，認為是由直流偏壓在較高的環境濕度下經過一段時間，陽極金屬失去電子形成離子，通過水膜遷移到陰極，并在陰極得電子還原形成枝狀沉積物而造成線間短路的現象。后來G.Digiacomo[4]總結了電化學遷移的準備時間與溫度、相對濕度及電場強度等因素的關系模型。除此之外，外來污染物也會對電化學遷移產生影響。文獻[5，6]分別介紹了當電路板表面殘留有某種免清洗助焊劑和自然塵土時對電化學遷移失效時間的影響，表明電路板表面只有殘留助焊劑時，會抑制電化學遷移的發生；當電路板表面有塵土時會促進電化學遷移的發生，但文中并沒有對造成該種影響的機理做過多說明。文獻[7]使用不同濃度的NaCl溶液進行水滴實驗時發現電化學遷移的發生概率會在某個中等濃度處達到最大，而當溶液濃度過大時卻不會發生電化學遷移現象。文獻[8]分別使用重量百分比為0.001%的NaCl溶液和Na2SO4溶液在純錫上進行水滴實驗，發現使用NaCl溶液的失效時間比Na2SO4溶液的長，原因是使用NaCl溶液使純錫表面形成的鈍化膜(SnO2)比使用Na2SO4溶液時的鈍化膜(SnO)更穩定。文獻[9]經實驗發現，當浸銀電路板的銀不能很好地覆蓋基底金屬銅時，發生遷移的是銅離子。文獻[10]通過研究發現，水滴實驗存在一個臨界短路失效電壓，當施加低于這個電壓時，電化學遷移就不會造成短路失效現象，而是不導電的絮狀沉淀。

我國塵土污染嚴重，空氣中的細微塵土顆粒很容易進入電子設備內部，并附著在電路板和連接器的表面而導致電接觸故障[11-13]，一個電連接器的故障會影響整個系統的正常運行。塵土成分復雜，文獻[14]通過對北京室內塵土成分進行分析發現，塵土中無機物約占塵土重量的70%，約有4%的無機物為可溶性鹽類。而塵土中的可溶性鹽溶于高密度電路板表面凝結的水膜后，改變離子濃度，必然改變電路板相鄰電極之間的絕緣性能，造成通信系統電路板失效[15，16]，其失效機理和影響程度需要深入研究。

本文主要通過NaCl溶液對電路板相鄰電極之間的絕緣失效時間規律進行研究，探討鹽離子濃度對電化學遷移失效機理和離子導電機理的影響，并采用自然沉積塵土的溶液進行實驗驗證，找出關鍵性鹽溶液濃度。

1研究方法

針對塵土成分對電化學遷移的作用，主要采取兩種研究方法，即不同濃度的NaCl溶液水滴實驗和自然沉積塵土水溶液的水滴實驗。通過對比說明塵土可溶性成分對電路板絕緣失效的影響機理。

1.1實驗樣品

實驗樣品參照IPC-TM-650 2.6.13《樹枝狀金屬易感性評價》設計的Y形電路板[17]，導線間距為0.64 mm，如圖1所示。樣品表層金屬為0.15 μm浸銀層，基底金屬為銅。

圖1　水滴實驗Y形電路板樣品Fig.1　The sample of Y pattern PCB for WD tests

1.2實驗設備

水滴實驗系統結構如圖2所示。Y形電路板平行導線的兩極施加直流偏壓，實驗時將水滴滴在Y形的平行導線之間，并保證水滴橫跨兩個導線。使用皮安計(Model 6487)每隔1 s測量一次樣品平行導線之間的表面絕緣電阻。整個實驗過程，樣品都放在光學顯微鏡下以便于實時觀察實驗現象。

圖2　水滴實驗系統框圖Fig.2　Block diagram of experimental system for WD tests

1.3實驗方法

1.3.1NaCl溶液對絕緣失效影響的實驗方法

選取NaCl作為塵土中可溶部分的代表，并使用電阻率為18.2 MΩ·m的去離子水配制成的NaCl溶液，來模擬電路板吸水后在其表面形成的可溶性鹽溶液環境。實驗均采用3 V的直流偏置電壓來研究不同濃度NaCl溶液下的電路板線間絕緣失效特征和失效時間的變化規律。

1.3.2自然塵土對絕緣失效影響的實驗方法

為了和NaCl溶液的實驗結果進行對比，將不同重量的自然沉積塵土(北京西北部地區辦公室內距離地面1 m以上的地方收集而來)溶解于去離子水中，使溶解后的溶液濃度與NaCl溶液的重量百分比濃度相當，并取上層清液進行水滴實驗。自然塵土溶液濃度和NaCl溶液濃度的對應關系如表1所示。

表1　自然塵土溶液濃度和NaCl溶液濃度的對應關系

注：C1為NaCl溶液的摩爾濃度，C2為NaCl溶液的重量百分比濃度，C3為塵土溶液的重量百分比濃度，三者之間的關系為：C2=C1×(58.5×10-3g/mmol)×(10-3L/g)×100%=C3×4%

2實驗結果

對于每次實驗，均選取表面絕緣電阻首次降到50 kΩ時作為失效時間。實驗結果主要有以下幾部分。

2.1NaCl溶液對表面絕緣失效的影響

對0.64 mm間距的Y形電路板樣品分別使用不同濃度的NaCl溶液進行水滴實驗，每種濃度條件的實驗重復3次，將3次數據進行二參數威布爾擬合[18，19]，置信區間為98%，得到每種條件下的特征失效時間，如圖3所示。

圖3　失效時間隨溶液濃度變化曲線Fig.3　Curves of TTF vs.the concentration of solutions

從圖3中可看出，隨著溶液濃度的升高，絕緣失效時間呈現先降低后升高的趨勢，即存在一個臨界的濃度Ca≈0.3 mmol/L，使得絕緣失效時間最短，約30 s。從圖4a～圖4k水滴實驗形貌來看，在NaCl溶液濃度從0 mmol/L增加到4 mmol/L的過程中，發生了明顯的電化學遷移現象。水電解為H+和OH-后，H+運動到陰極得電子形成H2氣泡，陽極的金屬Ag和Cu在弱堿性環境中形成陽離子，在水滴中向陰極運動，得電子形成從陰極向陽極生長的晶枝。NaCl溶液濃度達到0.3 mmol/L時，晶枝生長細且數量多，表明電化學遷移發生的速度最快。當NaCl溶液濃度繼續增加，晶枝生長變少變粗，絕緣電阻失效時間延長到140 s以上。而NaCl溶液濃度達到2 mmol/L時，滴加水滴后在1 s內絕緣電阻就會失效，但此時仍有晶枝產生，如圖4g所示。NaCl溶液濃度繼續增加到4 mmol/L時，絕緣電阻也幾乎是瞬間失效，遷移晶枝逐漸增粗、數量逐漸減少，說明電化學遷移速度逐漸降低。而當NaCl溶液濃度達到5 mmol/L以上時，就完全沒有電化學遷移的晶枝形成了，但絕緣電阻仍是瞬間失效，如圖4j所示。

圖4　不同NaCl溶液濃度下的枝狀電化學遷移產物的特征Fig.4　Dendrites of ECM formed in different concentration of NaCl solution

2.2自然塵土溶液對表面絕緣失效的影響

從圖3可知，隨著塵土溶液濃度的升高，絕緣失效時間也呈現先降低后升高的趨勢，同樣存在一個臨界的濃度C′a≈0.043 9wt%，使得絕緣失效時間最短，約80 s。圖5為塵土溶液水滴實驗中的晶枝照片，塵土重量百分數為0.043 9 wt%(相當于0.3 mmol/L的NaCl溶液)時，晶枝最細，說明晶枝生長速度較快，絕緣失效時間較短。而當塵土溶液濃度為0.146 3 wt%(相當于1 mmol/L的NaCl溶液)時，三次實驗只有一次有晶枝出現，且晶枝較粗，如圖5f所示，說明晶枝生長較慢，絕緣失效時間變長為150 s以上。其余兩次均無晶枝出現，且表面絕緣電阻穩定在70～100 kΩ之間。當塵土溶液濃度增加到0.292 6 wt%(相當于2 mmol/L的NaCl溶液)時，滴上溶液后絕緣電阻就會立即失效，此時仍有晶枝產生，而當溶液濃度增加到0.438 9 wt%(相當于3 mmol/L的NaCl溶液)時，就已經沒有晶枝產生了。這一過程和滴加NaCl溶液的水滴實驗結果具有類似的規律。

圖5　不同塵土溶液濃度下的電化學遷移枝狀產物的特征Fig.5　Dendrites morphology in different concentration of dust solution

對比不同濃度的NaCl溶液和塵土溶液的水滴實驗結果，存在3個關鍵的溶液濃度：一是使電化學遷移失效最快的溶液濃度Ca，二是絕緣電阻1 s內失效的溶液濃度Cb，三是沒有電化學遷移晶枝形成的濃度Cc，如表2所示。

表2　關鍵鹽溶液濃度

3討論

針對不同濃度的鹽溶液和塵土溶液對于電路板線間絕緣失效的時間和現象的實驗結果，分析討論各階段的失效機理和特征濃度。

3.1電路板線間絕緣失效機理

電路板相鄰線路之間由于水分吸附和電位差的存在會導致兩種主要的絕緣失效機理：一是電化學遷移失效，二是離子導電失效。電化學遷移失效是電路板在一定的濕度、溫度和電場作用下，陽極金屬被電離，金屬陽離子在電路板表面凝結的水膜中受到陰極吸引而運動到陰極得電子還原成金屬原子，以枝狀形態沉積在兩極之間導電而造成絕緣失效。濕度大、溫度高、電場強度大都會加劇電化學遷移，造成絕緣失效加速。而如果水膜中存在少量可溶性鹽的離子，會加速電化學遷移失效。但可溶性鹽離子濃度增大，本身就會在兩電極之間形成離子性導電通路，造成絕緣失效。因此，當電路板表面存在含有可溶性鹽的塵土時，濃度低時促進電化學遷移形成，而隨濃度升高，電化學遷移在減弱，離子導電在增強，直至完全轉為離子導電，降低電位差而徹底抑制了電化學遷移。因此表現出圖3所表現出的絕緣失效時間隨離子濃度先減小后增加，再驟減的規律。

3.2不同絕緣失效機理對應的鹽溶液關鍵濃度

從表2中可看出，主要有3個關鍵的鹽溶液濃度。為便于分析，選取NaCl溶液濃度進行理論估算。

1)電化學遷移失效最快的溶液濃度Ca

當濃度小于Ca時，由于溶液中有導電離子存在，但含量少，不足以破壞線間絕緣性能，反而會加速陽極金屬離子的電解，從而促進電化學遷移的發生，這種促進作用在溶液濃度達到Ca時到達頂峰。對于圖3中NaCl溶液，曲線左半部分實驗點的擬合曲線y=188.4 e-5.553x，右半部分實驗點的擬合曲線y=22.313 e-1.950 7x，兩者交點處的離子濃度Ca為0.3 mmol/L左右。

2)絕緣電阻1 s內失效的溶液濃度Cb

當溶液濃度超過Ca后，離子溶液的宏觀導電性就不可忽略了，它會使樣品的表面絕緣電阻降低而導致樣品兩極之間的電壓降低，這樣降低了電化學遷移的形成速度。當濃度繼續增加到Cb時，電化學遷移雖然仍在發生，但會變慢，而較高的離子濃度使得線間絕緣電阻瞬間失效(小于1 s)，這時的NaCl鹽溶液濃度Cb約為2 mmol/L。

3)沒有電化學遷移晶枝形成的濃度Cc

當NaCl溶液濃度達到Cc時，離子導電使得線間絕緣電阻降低完全抑制了電化學遷移的方式。起主導作用的主要是Na+和Cl-，假設不考慮離子間的相互作用，強電解質溶液中的電流強度可表示為[20]

(1)

式中，Ci為第i種離子的濃度，mol/L；|Zi|為離子所帶的單位電荷量的絕對值；vi為離子的運動速度，m/s；NA為阿伏伽德羅常數，mol-1；e為單位電荷量，C；S為電解質溶液的有效截面積，m2。

因此，濃度為Cc的NaCl溶液的電流強度為

=1 000NAeSCcZ(vCl+vNa)

(2)

經過轉換可得

(3)

離子在電場中的運動速度主要受電場力和其運動過程中阻力的影響，由Stokes定律可知其阻力大小與其運動速度呈正比。

F=-6πηrv=-kv

(4)

式中，η為電解液黏度，Pa·s；k為常數。

當離子所受到的電場力和阻力大小相等時，其運動速度達到最大值

(5)

式中，G為電位梯度，V。

將式(5)代入式(3)中得

(6)

室溫20 ℃時，η=1×10-3Pa·s，Z=ZCl=ZNa，NA=6.02×1023mol-1，e=1.6×10-19C，rNa=102×10-12m，rCl=181×10-12m。

一般20滴水是1 mL，一個水滴滴加到電路板上之后是一個半球形，但離子在溶液中運動遵循最短路徑原則，所以實際電解液的有效截面積并不是水滴的半圓界面，而是長為φ、寬為覆銅板電路厚度d的矩形，在此取d為0.05 mm。由一個水滴的體積

(7)

可得φ= 5.6 mm，因此式(6)中S=φd=0.28 mm2。

式(6)中I為電極間的電流，不同的材料發生離子遷移都會存在一個閾值電壓，即當電極間的電壓高于此閾值電壓時，會發生離子遷移，當電極間的電壓低于此閾值電壓時，不會發生離子遷移。由圖4可知，滴加溶液后直接失效且沒有晶枝產生的Cc的值在4～5 mmol/L左右。在NaCl溶液濃度為5 mmol/L的實驗中，絕緣電阻約穩定在20 kΩ，而串聯的保護電阻為10 kΩ，所以此時電路中的電流為

(8)

因此，計算得到理論值Cc<5.90 mmol/L。在NaCl溶液濃度為4 mmol/L的實驗中，絕緣電阻約穩定在25 kΩ，同理可計算出對應的Cc>5.06 mmol/L。所以根據理論計算所得結果5.06 mmol/L

3.3自然塵土與失效規律對應關系

從NaCl溶液和塵土溶液濃度改變絕緣失效時間的規律和現象觀察結果上看，它們具有相同的趨勢，說明存在對絕緣失效影響的相同作用機理。相同濃度下的失效時間有所不同，這可能與塵土中可溶性鹽的復雜成分有關。但塵土可溶性鹽對電化學遷移和離子導電的絕緣失效機理未改變。依據以往研究中室內樣品積塵數據，塵土密度與積塵天數大致呈線性關系[21]，若要達到圖3中的曲線拐點Ca右側濃度，則至少要積塵1年以上。

4結論

本文使用浸銀Y形電路板，采用不同濃度NaCl溶液和自然塵土溶液水滴實驗的方法研究電路板表面存在可溶性鹽溶液情況下的絕緣失效機理。發現隨著溶液離子濃度的升高，PCB絕緣失效時間呈現先減小后增大而后陡降的趨勢，主要取決于電化學遷移的失效和離子導電失效的共同作用。存在3個關鍵溶液濃度：一是濃度Ca，低于Ca的可溶性鹽溶液隨濃度升高會促進陽極金屬快速形成電化學遷移，高于Ca濃度后電化學遷移導電逐漸減弱，向離子導電轉換；二是溶液離子導電造成絕緣瞬間失效的鹽溶液濃度Cb；三是完全離子導電而抑制電化學遷移的鹽溶液濃度Cc。

北京室內自然積塵12個月以內的電子產品上的塵土量，應該對應于促進電化學遷移失效的階段，此時塵土污染會加速電子產品內部電路板的絕緣失效。而對于積塵12個月以上的電子產品，雖說對電化學遷移有抑制作用，離子導電還是會受到嚴重影響。

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The Effects of Soluble Salts in Dust on Insulation Failure of Printed Circuit Boards

Zhou YilinLan Fudong

(Automation SchoolBeijing University of Posts and TelecommunicationsBeijing100876China)

AbstractWith the miniaturization of the electronic devices,the spacing of the circuit patterns on the printed circuit board(PCB)becomes smaller.So the failure of the electrochemical migration(ECM)between lines gets easier.Meanwhile,due to the severe air pollution,dust can be absorbed and deposited on the PCB.The soluble salts in the dust can change the ion concentration in the water film condensed on the PCB，so the insulation failure mechanism and the time to failure(TTF)can be changed.In this paper,the immersion silver finished Y pattern PCB is adopted to study the insulation failure characteristics and the change rule of TTF by the method of water drop(WD)tests,in which the NaCl solution and the dust solution with different concentrations are prepared.It is found that the insulation failure mechanism on the PCB changes from ECM to ion conduction and the TTF of the insulation failure shows a first decrease,then increase,and at last sharp drop trend as the ion concentration in the salt solution or the dust solution increases.There are three salt concentrations.The soluble salt concentration Capushes ECM of anodic metals to from quickly on PCB;the critical salt concentration Cbtransfers the dendrite conduction caused by the ECM to ion conduction on PCB;and the concentration Ccrestrains the ECM fully.

Keywords：Insulation failure，dust contamination，electrochemical migration，ion concentration，water drop test

收稿日期2015-03-24改稿日期2015-06-10

作者簡介E-mail：ylzhou@bupt.edu.cn(通信作者) E-mail：1040490271@qq.com

中圖分類號：TM207

周怡琳女，1972年生，博士，教授，碩士生導師，研究方向為電接觸理論與應用。

蘭福東男，1990年生，碩士研究生，研究方向為可靠性檢測技術。