离子迁移对印刷线路板绝缘性能的影响

电路

由于高集成电路技术和微电子技术的发展，电子产品的体积越来越小，使得对承载各种线路的基板的要求也越来越高。无论是多层板的层数和通孔的孔径，还是布线宽度和线距都趋向于微细化，对其制作工艺提出了更高的要求。资料显示，现在线路板的导线间隔已经小到 30um 的程度，线路板的层间厚度也只有 40um. 。并且这些都有进一步向更细微化和薄层化发展的趋势。（ 1 ）在这种情况下，对其可靠性的要求也相应提高。特别是防短路或断路，已经是一个重要的课题。
   在发生短路故障的原因中，一个以往就有人注意到而未能引起重视的因素，在电子产品小型化的现在开始引起人们重视。这就是金属在一定条件下离子化并在电场作用下迁移而导致的短路。本文拟介绍有关这方面的研究进展，以供电子电镀界同仁们参考。
1、影响线路板可靠性的因素
   影响线路板可靠性的因素与所使用的环境不同而有所不同，主要因素还是基板的材质质量。尤其是某些潜在的因素，当外部条件发生变化并成为诱导因素时，就会加速潜在因素向临界状态转变，最终导致故障。
   从基材的内在因素来看，决定基板材质的有：高频特性、耐热性、耐湿性、尺寸精度、加工性能、机械强度、表面平整度、绝缘性、热传导性等。这些性能还和时间和温度有密切关系，也就是抗老化性能。一些在正常条件下可以合格的基板，在长时间和高潮湿条件下，所有指标都会劣化。而高温和高湿是与产品所处的环境有关的。
   导致线路板故障的温度诱因有：元器件的工作发热；连接不牢或虚焊导致的欧姆热；不正常放电造成的短路；元件损坏引起的高温等。
   产生潮湿的诱因有：空气潮湿；环境潮湿；意外潮湿等。
   还有一个物理化学诱因，就是尘埃、化学品残留物、以及金属离子化并在电场作用下迁移而导致的短路故障。这种离子迁移故障在线路板日趋小型化和细微化的情况下，已经成为不可忽视的因素。
2、离子迁移故障的研究
2.1 离子迁移研究的历史
   所谓离子迁移故障是指线路板上的金属如铜、银、锡等在一定条件下发生离子化并在电场作用下通过绝缘层向另一极迁移而导致的绝缘性能下降。由于早期的线路板线间距比较宽，发生这种故障的几率很小，并且只有在高温潮湿的条件下才有发生的可能，因此这一现象没有引起重视。
   最早对这一现象进行研究的是美国贝尔实验室的 Kohman 等人,他们发现在电话交换机的连接件中，有些镀在铜接线柱上的银在酚醛树脂基板内有检出，他们证实是银离子的迁移。这种现象有时会引起基板的绝缘性能下降。其发生的原因可能是在直流电压下受潮的镀层发生离子化而引起的。经研究发现，除了银外，铝、锡都有类似现象。但是很长一个时期几乎没有人关注这方面的研究。直到二十世纪七十年代，有关这方面的研究又开始引起人们的注意。这时以陶瓷为基板的高密度印刷线路板和覆铜线路板开始向小型化方向发展，使对基板材质的研究有所发展，使得又有人开始注意到离子迁移对基板绝缘性能的影响。
   这些研究大多数还只是局限在西方，并且论著并不多见。到了二十世纪八十年代特别是九十年代以来，日本也开始关注这一课题，关于这方面的研究报告也多起来。(4) 由于没有统一的标准，这些研究的重现性欠佳，所得的结论也有所差异。
2.2 影响离子迁移的因素
   产生离子迁移的原因，是当绝缘体两端的金属之间有直流电场时，这两边的金属就成为两个电极，其中作为阳极的一方发生离子化并在电场作用下通过绝缘体向另一边的金属（阴极）迁移。从而使绝缘体处于离子导电状态。显然，这将使绝缘体的绝缘性能下降甚至成为导体而造成短路故障。
   发生这一现象的条件是在潮湿环境下，绝缘体表面或内部有形成电解质物质的潜在因素。包括绝缘体本身的种类，构成，添加物，纤维性能，树脂性能等。
   从基板的构成因素来看，分为三个方面：一是树脂方面，树脂的组成，官能团，固化程度，离子浓度（杂质、水解性能等），吸湿性；二是纤维方面：玻璃纤维的密度，有机纤维的吸潮性；三是加工条件方面：通孔的条件（有无电镀液残留），层积条件（树脂间粘合性），加工工艺残留物（粗化、电镀等的残液）。
   从线路板表面的诱因来看，因素就更多一些，除基板因素外，还有基板上所安装的元件和金属构件在电镀孔隙中留下的未能洗净的电解质，焊料，胶类，易发生电解的物质，灰尘等离子污染，结露等。
   从更深入的研究来看，线路和结构的设计也与是否发生离子迁移故障有关连。因为线路板上的电场分布和易氧化金属材料所带的电的极性，是与线路和结构的设计有关的。其中线路间距和线路间所存在的直流电场与发生离子迁移有直接的关系，当两相邻近的线路间有直流电场存在，包括同相电流间的电位差的存在，在潮湿条件下，极易发生处于阳极状态的金属的离子化并向相对的阴极迁移。这同时与安装在线路中的元件和器件所用的金属材料的物理性能也有关系。比如金属的离子化能、离子的水解性以及离子的迁移度等，都对离子迁移的发生有很大影响。
   从线路板所使用的环境方面的因素来看，潮湿和高温是引发离子迁移故障的重要诱因。这些因素对线路板绝缘寿命的影响可用下列关系式表达：
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 都是绝缘性能下降到某一程度的时间（寿命）， D 是绝缘间隙， V 是两导体间的电压， H 是相对湿度， E 是绝缘间隙间的电场，α、β、 a 、 k 都是常数和系数。使用这种评价方法只能间接反映离子迁移的影响，但无论怎么说，用绝缘电阻的变化来评价离子迁移的影响仍然是简便实用的方法。
2.3 研究离子迁移的方法
   为了研究产生离子迁移故障的机理，在实验中要模拟离子的迁移过程。通常采用的方法有两种，一种是蒸气试验法。这是将被测试片放入盛有过饱和盐溶液的容器内，以高湿度和一定温度下使试片发生离子迁移现象，然后通过与试片联接的超绝缘电阻器对试片的绝缘性能的变化进行测量。
   另一种方法是水溶液试验方法，所用试片是金属电极，比如银电极。将两个电极放在玻璃板上，再在上面压一层透明有机玻璃板，两个电极分别与电源的正副极相联，在电极间滴入去离子水，模拟结露状态再用相机拍下在电场作用下不同时间、不同条件下的电迁移情形。
   用这种方法可以直观地观测到离子迁移的物理形态，可以测到不同时间下绝缘电阻的变化，直到两电极间最终形成短路。
3 离子迁移故障的影响及对策
   离子迁移所造成的故障主要是使印刷线路板的电绝缘性能下降，严重的则是引起线路间的短路，以致于发生烧毁电器甚至于引起火灾。这种故障在线间距离趋小的情况下有增长的可能，因而引起关注。日本在 1995-1998 年 4 年期间家电所发生的设计和制造方面的故障有 284 起 , 其中因线路板发热起火的有 8 起 , 这 8 次起火事故中有 4 起是离子迁移引起的。另外，由于起火事故往往破坏了线路板的原始状态，所以有的即便是离子迁移故障也无法加以确定。
   防止发生离子迁移故障的一个重要措施当然是要保持使用环境的干燥，但是线路板制作工艺也十分重要。现在都已经很少用到纸质的树脂板，并且非常重视防止化学污染。在所用的电子化学品中，最容易被忽视的是焊剂，现在所用的焊剂一般由天然或合成树脂、有机胺酸或有机磺酸及其盐、有机溶剂等组成。这些有机物特别是有机酸残留在线路板上，在潮湿条件下会成为电解质而引发电迁移。因此，选择和使用合适的焊剂是十分重要的。应选用疏水性强的有机酸和不含卤素离子的盐类做活性剂，并要避免其在线路板上的残留。尤其在采用无清洗工艺的时候，这是更为重要的提示。目前我国对这一故障的研究还不多见，但小型电子用品已经在国内大量投产，国际电子产品也都十分看好我国高速增长的广大市场。在这种情况下，加强电子产品可靠性的研究是很有必要的.

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