離子遷移
最早對這一現(xiàn)象進行研究的是美國貝爾實驗室的 kohman 等人,他們發(fā)現(xiàn)在電話交換機的連接件中,有些鍍在銅接線柱上的銀在酚醛樹脂基板內(nèi)有檢出,他們證實是銀離子的遷移。這種現(xiàn)象有時會引起基板的絕緣性能下降。其發(fā)生的原因可能是在直流電壓下受潮的鍍層發(fā)生離子化而引起的。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),除了銀外,鋁、錫都有類似現(xiàn)象。但是很長一個時期幾乎沒有人關(guān)注這方面的研究。直到二十世紀(jì)七十年代,有關(guān)這方面的研究又開始引起人們的注意。這時以陶瓷為基板的高密度印刷線路板和覆銅線路板開始向小型化方向發(fā)展,使對基板材質(zhì)的研究有所發(fā)展,使得又有人開始注意到離子遷移對基板絕緣性能的影響。
這些研究大多數(shù)還只是局限在西方,并且論著并不多見。到了二十世紀(jì)八十年代特別是九十年代以來,日本也開始關(guān)注這一課題,關(guān)于這方面的研究報告也多起來。由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),這些研究的重現(xiàn)性欠佳,所得的結(jié)論也有所差異。
從基板的構(gòu)成因素來看,分為三個方面:
一是樹脂方面,樹脂的組成,官能團,固化程度 ,離子濃度(雜質(zhì)、水解性能等),吸濕性;
二是纖維方面:玻璃纖維的密度,有機纖維的吸潮性;
三是加工條件方面:通孔的條件(有無電鍍液殘留),層積條件(樹脂間粘合性),加工工藝殘留物(粗化、電鍍等的殘液)。
從線路板表面的誘因來看,因素就更多一些,除基板因素外,還有基板上所安裝的元件和金屬構(gòu)件在電鍍孔隙中留下的未能洗凈的電解質(zhì),焊料,膠類,易發(fā)生電解的物質(zhì),灰塵等離子污染,結(jié)露等。
從更深入的研究來看,線路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計也與是否發(fā)生離子遷移故障有關(guān)連。因為線路板上的電場分布和易氧化金屬材料所帶的電的極性,是與線路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計有關(guān)的。其中線路間距和線路間所存在的直流電場與發(fā)生離子遷移有直接的關(guān)系,當(dāng)兩相鄰近的線路間有直流電場存在,包括同相電流間的電位差的存在,在潮濕條件下,極易發(fā)生處于陽極狀態(tài)的金屬的離子化并向相對的陰極遷移。這同時與安裝在線路中的元件和器件所用的金屬材料的物理性能也有關(guān)系。比如金屬的離子化能、離子的水解性以及離子的遷移度等,都對離子遷移的發(fā)生有很大影響。
從PCB所使用的環(huán)境方面的因素來看,潮濕和高溫是引發(fā)離子遷移故障的重要誘因。這些因素對PCB絕緣壽命的影響可用下列關(guān)系式表達:
MTF= α (1+ β D n / V). H γ . exp (Ea/kT)或者 ts=A [E - γ . H -n .exp ( Ea/kT)]
式中 MTF 和 ts 都是絕緣性能下降到某一程度的時間(壽命), D 是絕緣間隙, V 是兩導(dǎo)體間的電壓, H 是相對濕度, E 是絕緣間隙間的電場,α、β、 a 、 k 都是常數(shù)和系數(shù)。使用這種評價方法只能間接反映離子遷移的影響,但無論怎么說,用絕緣電阻的變化來評價離子遷移的影響仍然是簡便實用的方法。
一種是蒸氣試驗法。這是將被測試片放入盛有過飽和鹽溶液的容器內(nèi),以高濕度和一定溫度下使試片發(fā)生離子遷移現(xiàn)象,然后通過與試片聯(lián)接的超絕緣電阻器對試片的絕緣性能的變化進行測量。
另一種方法是水溶液試驗方法,所用試片是金屬電極,比如銀電極。將兩個電極放在玻璃板上,再在上面壓一層透明有機玻璃板,兩個電極分別與電源的正副極相聯(lián),在電極間滴入去離子水,模擬結(jié)露狀態(tài)再用相機拍下在電場作用下不同時間、不同條件下的電遷移情形。
用這種方法可以直觀地觀測到離子遷移的物理形態(tài),可以測到不同時間下絕緣電阻的變化,直到兩電極間最終形成短路。
防止發(fā)生離子遷移故障的一個重要措施當(dāng)然是要保持使用環(huán)境的干燥,但是PCB制作工藝也十分重要。現(xiàn)在都已經(jīng)很少用到紙質(zhì)的樹脂板,并且非常重視防止化學(xué)污染。在所用的電子化學(xué)品中,最容易被忽視的是焊劑,現(xiàn)在所用的焊劑一般由天然或合成樹脂、有機胺酸或有機磺酸及其鹽、有機溶劑等組成。這些有機物特別是有機酸殘留在PCB上,在潮濕條件下會成為電解質(zhì)而引發(fā)電遷移。因此,選擇和使用合適的焊劑是十分重要的。應(yīng)選用疏水性強的有機酸和不含鹵素離子的鹽類做活性劑,并要避免其在PCB上的殘留。尤其在采用無清洗工藝的時候,這是更為重要的提示。
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