1定義

所謂離子遷移是指電路板上的金屬如銅、銀、錫等在一定條件下發生離子化並在電場作用下通過絕緣層向另一極遷移而導致絕緣性能下降。

2研究歷史發展

氫離子遷移

  氫離子遷移

由於早期的線路板線間距比較寬,發生這種故障的幾率很小,並且只有在高溫潮濕的條件下才有發生的可能,因此這一現象沒有引起重視。
最早對這一現象進行研究的是美國貝爾實驗室的 kohman 等人,他們發現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有檢出,他們證實是銀離子的遷移。這種現象有時會引起基板的絕緣性能下降。其發生的原因可能是在直流電壓下受潮的鍍層發生離子化而引起的。經研究發現,除了銀外,鋁、錫都有類似現象。但是很長一個時期幾乎沒有人關注這方面的研究。直到二十世紀七十年代,有關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展,使對基板材質的研究有所發展,使得又有人開始注意到離子遷移對基板絕緣性能的影響。
這些研究大多數還只是局限在西方,並且論著並不多見。到了二十世紀八十年代特別是九十年代以來,日本也開始關注這一課題,關於這方面的研究報告也多起來。由於沒有統一的標準,這些研究的重現性欠佳,所得的結論也有所差異。

3產生原因

產生離子遷移的原因,是當絕緣體兩端的金屬之間有直流電場時,這兩邊的金屬就成為兩個電極,其中作為陽極的一方發生離子化並在電場作用下通過絕緣體向另一邊的金屬(陰極)遷移。從而使絕緣體處於離子導電狀態。顯然,這將使絕緣體的絕緣性能下降甚至成為導體而造成短路故障。

4影響因素

離子遷移評估系統

  離子遷移評估系統

發生這一現象的條件是在潮濕環境下,絕緣體表面或內部有形成電解質物質的潛在因素。包括絕緣體本身的種類,構成,添加物,纖維性能,樹脂性能等。
從基板的構成因素來看,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、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件在電鍍孔隙中留下的未能洗凈的電解質,焊料,膠類,易發生電解的物質,灰塵等離子污染,結露等。
從更深入的研究來看,線路和結構的設計也與是否發生離子遷移故障有關連。因為線路板上的電場分佈和易氧化金屬材料所帶的電的極性,是與線路和結構的設計有關的。其中線路間距和線路間所存在的直流電場與發生離子遷移有直接的關係,當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,極易發生處於陽極狀態的金屬的離子化並向相對的陰極遷移。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係。比如金屬的離子化能、離子的水解性以及離子的遷移度等,都對離子遷移的發生有很大影響。
從PCB所使用的環境方面的因素來看,潮濕和高溫是引發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係式表達:
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 都是常數和係數。使用這種評價方法只能間接反映離子遷移的影響,但無論怎麼說,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。

5研究方法

為了研究產生離子遷移故障的機理,在實驗中要模擬離子的遷移過程。通常採用的方法有兩種,
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,以高濕度和一定溫度下使試片發生離子遷移現象,然後通過與試片聯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,在電極間滴入去離子水,模擬結露狀態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,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。

6故障的影響及對策

離子遷移所造成的故障主要是使印刷PCB的電絕緣性能下降,嚴重的則是引起線路間的短路,以致於發生燒毀電器甚至於引起火災。這種故障在線間距離趨小的情況下有增長的可能,因而引起關注。日本在 1995-1998 年 4 年期間家電所發生的設計和製造方面的故障有 284 起 , 其中因PCB發熱起火的有8起 , 這8次起火事故中有4起是離子遷移引起的。另外,由於起火事故往往破壞了PCB的原始狀態,所以有的即便是離子遷移故障也無法加以確定。
防止發生離子遷移故障的一個重要措施當然是要保持使用環境的乾燥,但是PCB製作工藝也十分重要。現在都已經很少用到紙質的樹脂板,並且非常重視防止化學污染。在所用的電子化學品中,最容易被忽視的是焊劑,現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而引發電遷移。因此,選擇和使用合適的焊劑是十分重要的。應選用疏水性強的有機酸和不含鹵素離子的鹽類做活性劑,並要避免其在PCB上的殘留。尤其在採用無清洗工藝的時候,這是更為重要的提示。

7離子質譜方法

一種產生離子質譜信息的方法,包括下列步驟:產生氣態離子團;沿第一軸及時分離氣態離子團,形成多個離子組,各離子組具有與其相關的單一離子遷移率;沿垂直於第一軸的第二軸順序地及時分離至少一些離子組,形成多個離子小組,各離子小組具有與其相關的單一離子質量;和處理至少一些離子小組,由此確定質量的特定信息。

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