尘土中可溶性盐对电路板绝缘失效的影响

周怡琳　兰福东

(北京邮电大学自动化学院　北京　100876)

尘土中可溶性盐对电路板绝缘失效的影响

周怡琳兰福东

(北京邮电大学自动化学院北京100876)

摘要随着电子设备的小型化，印制电路板的导线间距变小，使得导线间电化学迁移失效问题更加突出。同时，大气污染严重，尘土颗粒沉积吸附在电路板上，其中的可溶性盐会改变电路板表面吸附水膜的离子浓度，从而改变线间绝缘失效机理和失效时间。使用浸银Y形电路板，采用不同浓度氯化钠溶液和尘土溶液水滴实验的方法来研究电路板表面存在可溶性盐溶液的情况下导线间绝缘失效特征与失效时间的变化规律。发现随着溶液离子浓度的升高，电路板绝缘失效机理由电化学迁移转变为离子性导电，失效时间呈现先减小后增大再陡降的趋势。存在促进阳极金属快速形成电化学迁移的可溶性盐溶液浓度Ca、由电路板阳极金属离子迁移形成晶枝导电向离子导电为主导转换的盐溶液浓度Cb及直至完全抑制电化学迁移的盐浓度Cc。

关键词：绝缘失效尘土污染电化学迁移离子溶度水滴实验

0引言

随着科技的发展，电子器件的集成密度不断提高，器件内部尺寸和间距变得越来越小，根据IPC-2221A标准[1]，PCB外层无涂层导体的最小间距可达0.1 mm，间距越小，相邻线路就越容易受到温度、湿度、电场等因素的作用[2]，从而发生电化学迁移导致的线间绝缘失效故障。

电化学迁移(Electrochemical Migration，ECM)最早是由美国 Bell 实验室的G.T.Kohman等[3]率先在电话交换机的镀银端子上发现的，认为是由直流偏压在较高的环境湿度下经过一段时间，阳极金属失去电子形成离子，通过水膜迁移到阴极，并在阴极得电子还原形成枝状沉积物而造成线间短路的现象。后来G.Digiacomo[4]总结了电化学迁移的准备时间与温度、相对湿度及电场强度等因素的关系模型。除此之外，外来污染物也会对电化学迁移产生影响。文献[5，6]分别介绍了当电路板表面残留有某种免清洗助焊剂和自然尘土时对电化学迁移失效时间的影响，表明电路板表面只有残留助焊剂时，会抑制电化学迁移的发生；当电路板表面有尘土时会促进电化学迁移的发生，但文中并没有对造成该种影响的机理做过多说明。文献[7]使用不同浓度的NaCl溶液进行水滴实验时发现电化学迁移的发生概率会在某个中等浓度处达到最大，而当溶液浓度过大时却不会发生电化学迁移现象。文献[8]分别使用重量百分比为0.001%的NaCl溶液和Na2SO4溶液在纯锡上进行水滴实验，发现使用NaCl溶液的失效时间比Na2SO4溶液的长，原因是使用NaCl溶液使纯锡表面形成的钝化膜(SnO2)比使用Na2SO4溶液时的钝化膜(SnO)更稳定。文献[9]经实验发现，当浸银电路板的银不能很好地覆盖基底金属铜时，发生迁移的是铜离子。文献[10]通过研究发现，水滴实验存在一个临界短路失效电压，当施加低于这个电压时，电化学迁移就不会造成短路失效现象，而是不导电的絮状沉淀。

我国尘土污染严重，空气中的细微尘土颗粒很容易进入电子设备内部，并附着在电路板和连接器的表面而导致电接触故障[11-13]，一个电连接器的故障会影响整个系统的正常运行。尘土成分复杂，文献[14]通过对北京室内尘土成分进行分析发现，尘土中无机物约占尘土重量的70%，约有4%的无机物为可溶性盐类。而尘土中的可溶性盐溶于高密度电路板表面凝结的水膜后，改变离子浓度，必然改变电路板相邻电极之间的绝缘性能，造成通信系统电路板失效[15，16]，其失效机理和影响程度需要深入研究。

本文主要通过NaCl溶液对电路板相邻电极之间的绝缘失效时间规律进行研究，探讨盐离子浓度对电化学迁移失效机理和离子导电机理的影响，并采用自然沉积尘土的溶液进行实验验证，找出关键性盐溶液浓度。

1研究方法

针对尘土成分对电化学迁移的作用，主要采取两种研究方法，即不同浓度的NaCl溶液水滴实验和自然沉积尘土水溶液的水滴实验。通过对比说明尘土可溶性成分对电路板绝缘失效的影响机理。

1.1实验样品

实验样品参照IPC-TM-650 2.6.13《树枝状金属易感性评价》设计的Y形电路板[17]，导线间距为0.64 mm，如图1所示。样品表层金属为0.15 μm浸银层，基底金属为铜。

图1　水滴实验Y形电路板样品Fig.1　The sample of Y pattern PCB for WD tests

1.2实验设备

水滴实验系统结构如图2所示。Y形电路板平行导线的两极施加直流偏压，实验时将水滴滴在Y形的平行导线之间，并保证水滴横跨两个导线。使用皮安计(Model 6487)每隔1 s测量一次样品平行导线之间的表面绝缘电阻。整个实验过程，样品都放在光学显微镜下以便于实时观察实验现象。

图2　水滴实验系统框图Fig.2　Block diagram of experimental system for WD tests

1.3实验方法

1.3.1NaCl溶液对绝缘失效影响的实验方法

选取NaCl作为尘土中可溶部分的代表，并使用电阻率为18.2 MΩ·m的去离子水配制成的NaCl溶液，来模拟电路板吸水后在其表面形成的可溶性盐溶液环境。实验均采用3 V的直流偏置电压来研究不同浓度NaCl溶液下的电路板线间绝缘失效特征和失效时间的变化规律。

1.3.2自然尘土对绝缘失效影响的实验方法

为了和NaCl溶液的实验结果进行对比，将不同重量的自然沉积尘土(北京西北部地区办公室内距离地面1 m以上的地方收集而来)溶解于去离子水中，使溶解后的溶液浓度与NaCl溶液的重量百分比浓度相当，并取上层清液进行水滴实验。自然尘土溶液浓度和NaCl溶液浓度的对应关系如表1所示。

表1　自然尘土溶液浓度和NaCl溶液浓度的对应关系

注：C1为NaCl溶液的摩尔浓度，C2为NaCl溶液的重量百分比浓度，C3为尘土溶液的重量百分比浓度，三者之间的关系为：C2=C1×(58.5×10-3g/mmol)×(10-3L/g)×100%=C3×4%

2实验结果

对于每次实验，均选取表面绝缘电阻首次降到50 kΩ时作为失效时间。实验结果主要有以下几部分。

2.1NaCl溶液对表面绝缘失效的影响

对0.64 mm间距的Y形电路板样品分别使用不同浓度的NaCl溶液进行水滴实验，每种浓度条件的实验重复3次，将3次数据进行二参数威布尔拟合[18，19]，置信区间为98%，得到每种条件下的特征失效时间，如图3所示。

图3　失效时间随溶液浓度变化曲线Fig.3　Curves of TTF vs.the concentration of solutions

从图3中可看出，随着溶液浓度的升高，绝缘失效时间呈现先降低后升高的趋势，即存在一个临界的浓度Ca≈0.3 mmol/L，使得绝缘失效时间最短，约30 s。从图4a～图4k水滴实验形貌来看，在NaCl溶液浓度从0 mmol/L增加到4 mmol/L的过程中，发生了明显的电化学迁移现象。水电解为H+和OH-后，H+运动到阴极得电子形成H2气泡，阳极的金属Ag和Cu在弱碱性环境中形成阳离子，在水滴中向阴极运动，得电子形成从阴极向阳极生长的晶枝。NaCl溶液浓度达到0.3 mmol/L时，晶枝生长细且数量多，表明电化学迁移发生的速度最快。当NaCl溶液浓度继续增加，晶枝生长变少变粗，绝缘电阻失效时间延长到140 s以上。而NaCl溶液浓度达到2 mmol/L时，滴加水滴后在1 s内绝缘电阻就会失效，但此时仍有晶枝产生，如图4g所示。NaCl溶液浓度继续增加到4 mmol/L时，绝缘电阻也几乎是瞬间失效，迁移晶枝逐渐增粗、数量逐渐减少，说明电化学迁移速度逐渐降低。而当NaCl溶液浓度达到5 mmol/L以上时，就完全没有电化学迁移的晶枝形成了，但绝缘电阻仍是瞬间失效，如图4j所示。

图4　不同NaCl溶液浓度下的枝状电化学迁移产物的特征Fig.4　Dendrites of ECM formed in different concentration of NaCl solution

2.2自然尘土溶液对表面绝缘失效的影响

从图3可知，随着尘土溶液浓度的升高，绝缘失效时间也呈现先降低后升高的趋势，同样存在一个临界的浓度C′a≈0.043 9wt%，使得绝缘失效时间最短，约80 s。图5为尘土溶液水滴实验中的晶枝照片，尘土重量百分数为0.043 9 wt%(相当于0.3 mmol/L的NaCl溶液)时，晶枝最细，说明晶枝生长速度较快，绝缘失效时间较短。而当尘土溶液浓度为0.146 3 wt%(相当于1 mmol/L的NaCl溶液)时，三次实验只有一次有晶枝出现，且晶枝较粗，如图5f所示，说明晶枝生长较慢，绝缘失效时间变长为150 s以上。其余两次均无晶枝出现，且表面绝缘电阻稳定在70～100 kΩ之间。当尘土溶液浓度增加到0.292 6 wt%(相当于2 mmol/L的NaCl溶液)时，滴上溶液后绝缘电阻就会立即失效，此时仍有晶枝产生，而当溶液浓度增加到0.438 9 wt%(相当于3 mmol/L的NaCl溶液)时，就已经没有晶枝产生了。这一过程和滴加NaCl溶液的水滴实验结果具有类似的规律。

图5　不同尘土溶液浓度下的电化学迁移枝状产物的特征Fig.5　Dendrites morphology in different concentration of dust solution

对比不同浓度的NaCl溶液和尘土溶液的水滴实验结果，存在3个关键的溶液浓度：一是使电化学迁移失效最快的溶液浓度Ca，二是绝缘电阻1 s内失效的溶液浓度Cb，三是没有电化学迁移晶枝形成的浓度Cc，如表2所示。

表2　关键盐溶液浓度

3讨论

针对不同浓度的盐溶液和尘土溶液对于电路板线间绝缘失效的时间和现象的实验结果，分析讨论各阶段的失效机理和特征浓度。

3.1电路板线间绝缘失效机理

电路板相邻线路之间由于水分吸附和电位差的存在会导致两种主要的绝缘失效机理：一是电化学迁移失效，二是离子导电失效。电化学迁移失效是电路板在一定的湿度、温度和电场作用下，阳极金属被电离，金属阳离子在电路板表面凝结的水膜中受到阴极吸引而运动到阴极得电子还原成金属原子，以枝状形态沉积在两极之间导电而造成绝缘失效。湿度大、温度高、电场强度大都会加剧电化学迁移，造成绝缘失效加速。而如果水膜中存在少量可溶性盐的离子，会加速电化学迁移失效。但可溶性盐离子浓度增大，本身就会在两电极之间形成离子性导电通路，造成绝缘失效。因此，当电路板表面存在含有可溶性盐的尘土时，浓度低时促进电化学迁移形成，而随浓度升高，电化学迁移在减弱，离子导电在增强，直至完全转为离子导电，降低电位差而彻底抑制了电化学迁移。因此表现出图3所表现出的绝缘失效时间随离子浓度先减小后增加，再骤减的规律。

3.2不同绝缘失效机理对应的盐溶液关键浓度

从表2中可看出，主要有3个关键的盐溶液浓度。为便于分析，选取NaCl溶液浓度进行理论估算。

1)电化学迁移失效最快的溶液浓度Ca

当浓度小于Ca时，由于溶液中有导电离子存在，但含量少，不足以破坏线间绝缘性能，反而会加速阳极金属离子的电解，从而促进电化学迁移的发生，这种促进作用在溶液浓度达到Ca时到达顶峰。对于图3中NaCl溶液，曲线左半部分实验点的拟合曲线y=188.4 e-5.553x，右半部分实验点的拟合曲线y=22.313 e-1.950 7x，两者交点处的离子浓度Ca为0.3 mmol/L左右。

2)绝缘电阻1 s内失效的溶液浓度Cb

当溶液浓度超过Ca后，离子溶液的宏观导电性就不可忽略了，它会使样品的表面绝缘电阻降低而导致样品两极之间的电压降低，这样降低了电化学迁移的形成速度。当浓度继续增加到Cb时，电化学迁移虽然仍在发生，但会变慢，而较高的离子浓度使得线间绝缘电阻瞬间失效(小于1 s)，这时的NaCl盐溶液浓度Cb约为2 mmol/L。

3)没有电化学迁移晶枝形成的浓度Cc

当NaCl溶液浓度达到Cc时，离子导电使得线间绝缘电阻降低完全抑制了电化学迁移的方式。起主导作用的主要是Na+和Cl-，假设不考虑离子间的相互作用，强电解质溶液中的电流强度可表示为[20]

(1)

式中，Ci为第i种离子的浓度，mol/L；|Zi|为离子所带的单位电荷量的绝对值；vi为离子的运动速度，m/s；NA为阿伏伽德罗常数，mol-1；e为单位电荷量，C；S为电解质溶液的有效截面积，m2。

因此，浓度为Cc的NaCl溶液的电流强度为

=1 000NAeSCcZ(vCl+vNa)

(2)

经过转换可得

(3)

离子在电场中的运动速度主要受电场力和其运动过程中阻力的影响，由Stokes定律可知其阻力大小与其运动速度呈正比。

F=-6πηrv=-kv

(4)

式中，η为电解液黏度，Pa·s；k为常数。

当离子所受到的电场力和阻力大小相等时，其运动速度达到最大值

(5)

式中，G为电位梯度，V。

将式(5)代入式(3)中得

(6)

室温20 ℃时，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，一个水滴滴加到电路板上之后是一个半球形，但离子在溶液中运动遵循最短路径原则，所以实际电解液的有效截面积并不是水滴的半圆界面，而是长为φ、宽为覆铜板电路厚度d的矩形，在此取d为0.05 mm。由一个水滴的体积

(7)

可得φ= 5.6 mm，因此式(6)中S=φd=0.28 mm2。

式(6)中I为电极间的电流，不同的材料发生离子迁移都会存在一个阈值电压，即当电极间的电压高于此阈值电压时，会发生离子迁移，当电极间的电压低于此阈值电压时，不会发生离子迁移。由图4可知，滴加溶液后直接失效且没有晶枝产生的Cc的值在4～5 mmol/L左右。在NaCl溶液浓度为5 mmol/L的实验中，绝缘电阻约稳定在20 kΩ，而串联的保护电阻为10 kΩ，所以此时电路中的电流为

(8)

因此，计算得到理论值Cc<5.90 mmol/L。在NaCl溶液浓度为4 mmol/L的实验中，绝缘电阻约稳定在25 kΩ，同理可计算出对应的Cc>5.06 mmol/L。所以根据理论计算所得结果5.06 mmol/L

3.3自然尘土与失效规律对应关系

从NaCl溶液和尘土溶液浓度改变绝缘失效时间的规律和现象观察结果上看，它们具有相同的趋势，说明存在对绝缘失效影响的相同作用机理。相同浓度下的失效时间有所不同，这可能与尘土中可溶性盐的复杂成分有关。但尘土可溶性盐对电化学迁移和离子导电的绝缘失效机理未改变。依据以往研究中室内样品积尘数据，尘土密度与积尘天数大致呈线性关系[21]，若要达到图3中的曲线拐点Ca右侧浓度，则至少要积尘1年以上。

4结论

本文使用浸银Y形电路板，采用不同浓度NaCl溶液和自然尘土溶液水滴实验的方法研究电路板表面存在可溶性盐溶液情况下的绝缘失效机理。发现随着溶液离子浓度的升高，PCB绝缘失效时间呈现先减小后增大而后陡降的趋势，主要取决于电化学迁移的失效和离子导电失效的共同作用。存在3个关键溶液浓度：一是浓度Ca，低于Ca的可溶性盐溶液随浓度升高会促进阳极金属快速形成电化学迁移，高于Ca浓度后电化学迁移导电逐渐减弱，向离子导电转换；二是溶液离子导电造成绝缘瞬间失效的盐溶液浓度Cb；三是完全离子导电而抑制电化学迁移的盐溶液浓度Cc。

北京室内自然积尘12个月以内的电子产品上的尘土量，应该对应于促进电化学迁移失效的阶段，此时尘土污染会加速电子产品内部电路板的绝缘失效。而对于积尘12个月以上的电子产品，虽说对电化学迁移有抑制作用，离子导电还是会受到严重影响。

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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

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

中图分类号：TM207

周怡琳女，1972年生，博士，教授，硕士生导师，研究方向为电接触理论与应用。

兰福东男，1990年生，硕士研究生，研究方向为可靠性检测技术。