電化學(xué)遷移是一種電化學(xué)現(xiàn)象。高密度電路板封裝中,在一定的溫濕度條件下絕緣材料表面凝聚了水膜,線路或焊點(diǎn)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,并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(dǎo)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(xiàn)象稱為電化學(xué)遷移。
影響電化學(xué)遷移的最主要因素為溫度、相對濕度、偏置電壓、線間距、電極材料等。G. DiGiacomo研究得到高密度印制電路板表面電化學(xué)遷移失效時間與溫度服從Arrhenius方程,而與電場強(qiáng)度、相對濕度呈負(fù)指數(shù)函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。楊雙、A. Christou研究浸銀電路板表面電化學(xué)遷移失效時間與溫度、相對濕度和電壓的關(guān)系,并進(jìn)行失效物理建模。導(dǎo)線間距的減小增加了電場強(qiáng)度,會加速電化學(xué)遷移的發(fā)生。R. Ambat等發(fā)現(xiàn)電路板表面存留助焊劑時會阻礙電化學(xué)遷移反應(yīng),而塵土?xí)﹄娀瘜W(xué)遷移起促進(jìn)作用,但沒有對其反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行說明。
我國空氣污染嚴(yán)重,塵土顆??呻S空氣流動進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部,靠重力和靜電力附著在電路板及電子元器件表面引發(fā)各種電接觸故障,而電子器件的故障會進(jìn)一步影響整個系統(tǒng)的可靠性。塵土從組成上可分為可溶性鹽和不可溶性顆粒??扇苄喳}的溶解度越大,導(dǎo)致覆蓋的電路板臨界濕度越低,更易引起絕緣電阻下降,加快電化學(xué)遷移失效。
實(shí)驗(yàn)證明,隨著鹽溶液中離子濃度的升高,電路板失效機(jī)理由電化學(xué)遷移轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子性導(dǎo)電。電路板表面的塵土不可溶顆粒在毛細(xì)管作用力下吸附水分,并減慢水分的脫附作用,其中片狀云母顆粒在高溫階段的保濕作用強(qiáng)于顆粒狀SiO2,在降濕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(xué)遷移失效。塵土顆粒的介電特性導(dǎo)致導(dǎo)線間電場分布不均勻,從而改變陽極金屬離子遷移后形成晶枝的生長路徑,延緩了失效。塵土污染還會引起電路板表面溫升,從而加劇電化學(xué)遷移。
綜上可知,塵土?xí)绊戨娐钒灞砻鏉穸取囟群碗妶龇植迹M(jìn)而改變電化學(xué)遷移機(jī)理和失效時間。
北京室內(nèi)自然積塵實(shí)驗(yàn)表明,塵土沉積面密度基本呈線性增長,30天能達(dá)到170◆g/cm2。成分檢測發(fā)現(xiàn),北京室內(nèi)自然積塵中無機(jī)物占70%,其余為有機(jī)物和炭黑。無機(jī)物中可溶性鹽約為4%,其余為不可溶顆粒。北京郵電大學(xué)的研究人員將塵土中不溶性顆粒作為主要環(huán)境污染物質(zhì),以積塵的顆粒覆蓋密度作為影響因素,研究其與溫度、相對濕度和偏置電壓交互作用下的電路板電化學(xué)遷移的失效特征、失效機(jī)理和失效時間,為建立塵土污染環(huán)境對電路板可靠性影響的檢測方法奠定基礎(chǔ)。
圖1 梳狀電路板樣品
圖2 多通路絕緣電阻測試系統(tǒng)框圖
研究人員通過選取13~18◆m粒徑的SiO2顆粒作為塵土不溶性物質(zhì)的代表,在標(biāo)準(zhǔn)梳狀電路板上進(jìn)行溫濕偏置實(shí)驗(yàn),研究塵土顆粒覆蓋密度對電化學(xué)遷移失效的作用機(jī)理和作用特性。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),以350◆g/cm2為分界,顆粒覆蓋低密度區(qū)和高密度區(qū)內(nèi)失效時間呈現(xiàn)不同的變化規(guī)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(qū)間(低于350◆g/cm2時),顆粒在毛細(xì)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(jìn)了金屬離子的電化學(xué)遷移,電路板表面絕緣電阻間歇失效頻率增加,晶枝數(shù)量增加,生長范圍增大,并出現(xiàn)永久性失效,失效時間與顆粒覆蓋密度呈負(fù)指數(shù)函數(shù)。
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(qū)間(高于350◆g/cm2時),更多的顆粒覆蓋使得電路板表面吸附水分的區(qū)域減少,而且大量顆粒阻擋了晶枝的形成路徑,且使晶枝結(jié)構(gòu)疏松,永久性失效消失,間歇性失效減少,延緩了絕緣失效的發(fā)生,失效時間與顆粒覆蓋密度呈正指數(shù)函數(shù)。
電路板電化學(xué)遷移失效時間隨塵土覆蓋密度增加呈現(xiàn)的這種非單調(diào)變化,體現(xiàn)出塵土顆粒對電化學(xué)遷移失效的雙向作用。本研究為建立塵土污染環(huán)境下高密度電路板的可靠性檢測方法奠定了基礎(chǔ)。
以上研究成果發(fā)表在2020年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》,論文標(biāo)題為“塵土覆蓋密度對電路板電化學(xué)遷移失效的作用”,作者為周怡琳、魯文睿。