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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(yáng)極金屬被水解形成金屬離子，在電場(chǎng)力的作用下，通過(guò)遷移到陰極，并被還原逐漸形成樹(shù)枝狀金屬沉積物，被稱為“晶枝”，其從陰極向陽(yáng)極生長(zhǎng)，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(duì)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(shí)間與溫度服從Arrhenius方程，而與電場(chǎng)強(qiáng)度、相對(duì)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(shí)間與溫度、相對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度，會(huì)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(shí)會(huì)阻礙電化學(xué)遷移反應(yīng)，而塵土?xí)?duì)電化學(xué)遷移起促進(jìn)作用，但沒(méi)有對(duì)其反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行說(shuō)明。

我國(guó)空氣污染嚴(yán)重，塵土顆粒可隨空氣流動(dòng)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(huì)進(jìn)一步影響整個(gè)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。可溶性鹽的溶解度越大，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(duì)電路板的覆蓋，還會(huì)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(chǎng)分布不均勻，從而改變陽(yáng)極金屬離子遷移后形成晶枝的生長(zhǎng)路徑，延緩了失效。塵土污染還會(huì)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?chǎng)分布，進(jìn)而改變電化學(xué)遷移機(jī)理和失效時(shí)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(zhǎng)，30天能達(dá)到170◆g/cm2。成分檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，北京室內(nèi)自然積塵中無(wú)機(jī)物占70%，其余為有機(jī)物和炭黑。無(wú)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(duì)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(shí)間，為建立塵土污染環(huán)境對(duì)電路板可靠性影響的檢測(cè)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(cè)試系統(tǒng)框圖

研究人員通過(guò)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(duì)電化學(xué)遷移失效的作用機(jī)理和作用特性。通過(guò)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(shí)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(shí)），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(zhǎng)范圍增大，并出現(xiàn)永久性失效，失效時(shí)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(shí)），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(shí)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(shí)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(duì)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(cè)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(bào)》，論文標(biāo)題為“塵土覆蓋密度對(duì)電路板電化學(xué)遷移失效的作用”，作者為周怡琳、魯文睿。