塵土覆蓋密度對電路板電化學遷移失效的作用
2020-08-06 電氣技術高密度電封裝在一定溫溼環境和電位差作用下，相鄰線路、焊點之間易發生電化學遷移導致絕緣失效。在塵土汙染嚴重的情況下，電子設備內部的塵土顆粒沉積改變了電路板表面臨界溼度，從而改變電化學遷移的失效機理和時間。
北京郵電大學自動化學院的研究人員周怡琳、魯文睿，在2020年第12期《電工技術學報》上撰文，採用溫溼偏置實驗研究13～18m粒徑的塵土顆粒覆蓋密度與環境溫度、溼度、電場強度交互作用下對電路板電化學遷移失效時間的影響，發現顆粒覆蓋密度造成的電化學遷移失效時間呈非單調變化。
顆粒覆蓋密度低於350g/cm2時，失效時間與顆粒覆蓋密度呈負指數函數；高於350g/cm2時，呈正指數函數。從顆粒吸附水分與改變晶枝生長路徑兩方面分析了顆粒分布在高、低密度區對電化學遷移失效的作用機理，為建立塵土汙染環境下高密度電路板的可靠性檢測方法奠定了基礎。
電化學遷移是一種電化學現象。高密度電路板封裝中，在一定的溫溼度條件下絕緣材料表面凝聚了水膜，線路或焊點的陽極金屬被水解形成金屬離子，在電場力的作用下，通過遷移到陰極，並被還原逐漸形成樹枝狀金屬沉積物，被稱為「晶枝」，其從陰極向陽極生長，導致相鄰兩極間的表面絕緣電阻（Surface Insulation Resistance, SIR）顯著降低的失效現象稱為電化學遷移。
影響電化學遷移的最主要因素為溫度、相對溼度、偏置電壓、線間距、電極材料等。G. DiGiacomo研究得到高密度印製電路板表面電化學遷移失效時間與溫度服從Arrhenius方程，而與電場強度、相對溼度呈負指數函數的經驗公式。楊雙、A. Christou研究浸銀電路板表面電化學遷移失效時間與溫度、相對溼度和電壓的關係，並進行失效物理建模。導線間距的減小增加了電場強度，會加速電化學遷移的發生。R. Ambat等發現電路板表面存留助焊劑時會阻礙電化學遷移反應，而塵土會對電化學遷移起促進作用，但沒有對其反應機理進行說明。
我國空氣汙染嚴重，塵土顆粒可隨空氣流動進入電子設備內部，靠重力和靜電力附著在電路板及電子元器件表面引發各種電接觸故障，而電子器件的故障會進一步影響整個系統的可靠性。塵土從組成上可分為可溶性鹽和不可溶性顆粒。可溶性鹽的溶解度越大，導致覆蓋的電路板臨界溼度越低，更易引起絕緣電阻下降，加快電化學遷移失效。
實驗證明，隨著鹽溶液中離子濃度的升高，電路板失效機理由電化學遷移轉變為離子性導電。電路板表面的塵土不可溶顆粒在毛細管作用力下吸附水分，並減慢水分的脫附作用，其中片狀雲母顆粒在高溫階段的保溼作用強於顆粒狀SiO2，在降溼階段延緩水分脫附更顯著。
塵土對電路板的覆蓋，還會升高局部溫度，加速電化學遷移失效。塵土顆粒的介電特性導致導線間電場分布不均勻，從而改變陽極金屬離子遷移後形成晶枝的生長路徑，延緩了失效。塵土汙染還會引起電路板表面溫升，從而加劇電化學遷移。
綜上可知，塵土會影響電路板表面溼度、溫度和電場分布，進而改變電化學遷移機理和失效時間。
北京室內自然積塵實驗表明，塵土沉積面密度基本呈線性增長，30天能達到170g/cm2。成分檢測發現，北京室內自然積塵中無機物佔70%，其餘為有機物和炭黑。無機物中可溶性鹽約為4%，其餘為不可溶顆粒。北京郵電大學的研究人員將塵土中不溶性顆粒作為主要環境汙染物質，以積塵的顆粒覆蓋密度作為影響因素，研究其與溫度、相對溼度和偏置電壓交互作用下的電路板電化學遷移的失效特徵、失效機理和失效時間，為建立塵土汙染環境對電路板可靠性影響的檢測方法奠定基礎。
圖1 梳狀電路板樣品
圖2 多通路絕緣電阻測試系統框圖
研究人員通過選取13～18m粒徑的SiO2顆粒作為塵土不溶性物質的代表，在標準梳狀電路板上進行溫溼偏置實驗，研究塵土顆粒覆蓋密度對電化學遷移失效的作用機理和作用特性。通過實驗發現，以350g/cm2為分界，顆粒覆蓋低密度區和高密度區內失效時間呈現不同的變化規律。
圖3 低密度下顆粒在表面吸附水分形成彎月面
在顆粒分布低密度區間（低於350g/cm2時），顆粒在毛細管作用力下吸附水分，隨顆粒覆蓋密度增大，電路板表面水膜增加，促進了金屬離子的電化學遷移，電路板表面絕緣電阻間歇失效頻率增加，晶枝數量增加，生長範圍增大，並出現永久性失效，失效時間與顆粒覆蓋密度呈負指數函數。
圖4 高密度下顆粒阻礙電路板表面水分吸附
在顆粒分布高密度區間（高於350g/cm2時），更多的顆粒覆蓋使得電路板表面吸附水分的區域減少，而且大量顆粒阻擋了晶枝的形成路徑，且使晶枝結構疏鬆，永久性失效消失，間歇性失效減少，延緩了絕緣失效的發生，失效時間與顆粒覆蓋密度呈正指數函數。
電路板電化學遷移失效時間隨塵土覆蓋密度增加呈現的這種非單調變化，體現出塵土顆粒對電化學遷移失效的雙向作用。本研究為建立塵土汙染環境下高密度電路板的可靠性檢測方法奠定了基礎。
以上研究成果發表在2020年第12期《電工技術學報》，論文標題為「塵土覆蓋密度對電路板電化學遷移失效的作用」，作者為周怡琳、魯文睿。
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