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電化學遷移是一種電化學現(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)象稱為電化學遷移。

影響電化學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遷移失效時間與溫度服從Arrhenius方程，而與電場強度、相對濕度呈負指數(shù)函數(shù)的經(jīng)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、相對濕度和電壓的關系，并進行失效物理建模。導線間距的減小增加了電場強度，會加速電化學遷移的發(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。

我國空氣污染嚴重，塵土顆粒可隨空氣流動進入電子設備內(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?yōu)殡x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，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，從而加劇電化學遷移。

綜上可知，塵土會影響電路板表面濕度、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(nèi)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170◆g/cm2。成分檢測發(fā)現(xiàn)，北京室內(nèi)自然積塵中無機物占70%，其余為有機物和炭黑。無機物中可溶性鹽約為4%，其余為不可溶顆粒。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(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遷移的失效特征、失效機理和失效時間，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。

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，在標準梳狀電路板上進行溫濕偏置實驗，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(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(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，且使晶枝結構疏松，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。

以上研究成果發(fā)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。