離子遷移對(duì)印刷線路板絕緣性能的影響

由于高集成電路技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，使得對(duì)承載各種線路的基板的要求也越來(lái)越高。無(wú)論是多層板的層數(shù)和通孔的孔徑，還是布線寬度和線距都趨向于微細(xì)化，對(duì)其制作工藝提出了更高的要求。資料顯示，現(xiàn)在線路板的導(dǎo)線間隔已經(jīng)小到 30um 的程度，線路板的層間厚度也只有 40um. 。并且這些都有進(jìn)一步向更細(xì)微化和薄層化發(fā)展的趨勢(shì)。 （ 1 ） 在這種情況下，對(duì)其可靠性的要求也相應(yīng)提高。特別是防短路或斷路，已經(jīng)是一個(gè)重要的課題。

在發(fā)生短路故障的原因中，一個(gè)以往就有人注意到而未能引起重視的因素，在電子產(chǎn)品小型化的現(xiàn)在開(kāi)始引起人們重視。這就是金屬在一定條件下離子化并在電場(chǎng)作用下遷移而導(dǎo)致的短路。本文擬介紹有關(guān)這方面的研究進(jìn)展，以供電子電鍍界同仁們參考。

1、影響線路板可靠性的因素

影響線路板可靠性的因素與所使用的環(huán)境不同而有所不同，主要因素還是基板的材質(zhì)質(zhì)量。尤其是某些潛在的因素，當(dāng)外部條件發(fā)生變化并成為誘導(dǎo)因素時(shí)，就會(huì)加速潛在因素向臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致故障。

從基材的內(nèi)在因素來(lái)看，決定基板材質(zhì)的有：高頻特性、耐熱性、耐濕性、尺寸精度、加工性能、機(jī)械強(qiáng)度、表面平整度、絕緣性、熱傳導(dǎo)性等。這些性能還和時(shí)間和溫度有密切關(guān)系，也就是抗老化性能。一些在正常條件下可以合格的基板，在長(zhǎng)時(shí)間和高潮濕條件下，所有指標(biāo)都會(huì)劣化。而高溫和高濕是與產(chǎn)品所處的環(huán)境有關(guān)的。

導(dǎo)致線路板故障的溫度誘因有：元器件的工作發(fā)熱；連接不牢或虛焊導(dǎo)致的歐姆熱；不正常放電造成的短路；元件損壞引起的高溫等。

產(chǎn)生潮濕的誘因有：空氣潮濕；環(huán)境潮濕；意外潮濕等。

還有一個(gè)物理化學(xué)誘因，就是塵埃、化學(xué)品殘留物、以及金屬離子化并在電場(chǎng)作用下遷移而導(dǎo)致的短路故障。這種離子遷移故障在線路板日趨小型化和細(xì)微化的情況下，已經(jīng)成為不可忽視的因素。

2、離子遷移故障的研究

2.1 離子遷移研究的歷史

所謂離子遷移故障是指線路板上的金屬如銅、銀、錫等在一定條件下發(fā)生離子化并在電場(chǎng)作用下通過(guò)絕緣層向另一極遷移而導(dǎo)致的絕緣性能下降。由于早期的線路板線間距比較寬，發(fā)生這種故障的幾率很小，并且只有在高溫潮濕的條件下才有發(fā)生的可能，因此這一現(xiàn)象沒(méi)有引起重視。

最早對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究的是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Kohman 等人,他們發(fā)現(xiàn)在電話交換機(jī)的連接件中，有些鍍?cè)阢~接線柱上的銀在酚醛樹(shù)脂基板內(nèi)有檢出，他們證實(shí)是銀離子的遷移。這種現(xiàn)象有時(shí)會(huì)引起基板的絕緣性能下降。其發(fā)生的原因可能是在直流電壓下受潮的鍍層發(fā)生離子化而引起的。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，除了銀外，鋁、錫都有類似現(xiàn)象。但是很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期幾乎沒(méi)有人關(guān)注這方面的研究。直到二十世紀(jì)七十年代，有關(guān)這方面的研究又開(kāi)始引起人們的注意。這時(shí)以陶瓷為基板的高密度印刷線路板和覆銅線路板開(kāi)始向小型化方向發(fā)展，使對(duì)基板材質(zhì)的研究有所發(fā)展，使得又有人開(kāi)始注意到離子遷移對(duì)基板絕緣性能的影響。

這些研究大多數(shù)還只是局限在西方，并且論著并不多見(jiàn)。到了二十世紀(jì)八十年代特別是九十年代以來(lái)，日本也開(kāi)始關(guān)注這一課題，關(guān)于這方面的研究報(bào)告也多起來(lái)。(4) 由于沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這些研究的重現(xiàn)性欠佳，所得的結(jié)論也有所差異。

2.2 影響離子遷移的因素

產(chǎn)生離子遷移的原因，是當(dāng)絕緣體兩端的金屬之間有直流電場(chǎng)時(shí)，這兩邊的金屬就成為兩個(gè)電極，其中作為陽(yáng)極的一方發(fā)生離子化并在電場(chǎng)作用下通過(guò)絕緣體向另一邊的金屬（陰極）遷移。從而使絕緣體處于離子導(dǎo)電狀態(tài)。顯然，這將使絕緣體的絕緣性能下降甚至成為導(dǎo)體而造成短路故障。

發(fā)生這一現(xiàn)象的條件是在潮濕環(huán)境下，絕緣體表面或內(nèi)部有形成電解質(zhì)物質(zhì)的潛在因素。包括絕緣體本身的種類，構(gòu)成，添加物，纖維性能，樹(shù)脂性能等。

從基板的構(gòu)成因素來(lái)看，分為三個(gè)方面：一是樹(shù)脂方面，樹(shù)脂的組成，官能團(tuán)，固化程度 ，離子濃度（雜質(zhì)、水解性能等），吸濕性；二是纖維方面：玻璃纖維的密度，有機(jī)纖維的吸潮性；三是加工條件方面：通孔的條件（有無(wú)電鍍液殘留），層積條件（樹(shù)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(lái)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(gòu)件在電鍍孔隙中留下的未能洗凈的電解質(zhì)，焊料，膠類，易發(fā)生電解的物質(zhì)，灰塵等離子污染，結(jié)露等。

從更深入的研究來(lái)看，線路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也與是否發(fā)生離子遷移故障有關(guān)連。因?yàn)榫€路板上的電場(chǎng)分布和易氧化金屬材料所帶的電的極性，是與線路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)的。其中線路間距和線路間所存在的直流電場(chǎng)與發(fā)生離子遷移有直接的關(guān)系，當(dāng)兩相鄰近的線路間有直流電場(chǎng)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(fā)生處于陽(yáng)極狀態(tài)的金屬的離子化并向相對(duì)的陰極遷移。這同時(shí)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(guān)系。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(duì)離子遷移的發(fā)生有很大影響。

從線路板所使用的環(huán)境方面的因素來(lái)看，潮濕和高溫是引發(fā)離子遷移故障的重要誘因。這些因素對(duì)線路板絕緣壽命的影響可用下列關(guān)系式表達(dá)：

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(shí)間（壽命）， D 是絕緣間隙， V 是兩導(dǎo)體間的電壓， H 是相對(duì)濕度， E 是絕緣間隙間的電場(chǎng)，α、β、 a 、 k 都是常數(shù)和系數(shù)。使用這種評(píng)價(jià)方法只能間接反映離子遷移的影響，但無(wú)論怎么說(shuō)，用絕緣電阻的變化來(lái)評(píng)價(jià)離子遷移的影響仍然是簡(jiǎn)便實(shí)用的方法。

2.3 研究離子遷移的方法

為了研究產(chǎn)生離子遷移故障的機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)中要模擬離子的遷移過(guò)程。通常采用的方法有兩種，一種是蒸氣試驗(yàn)法。這是將被測(cè)試片放入盛有過(guò)飽和鹽溶液的容器內(nèi)，以高濕度和一定溫度下使試片發(fā)生離子遷移現(xiàn)象，然后通過(guò)與試片聯(lián)接的超絕緣電阻器對(duì)試片的絕緣性能的變化進(jìn)行測(cè)量。

另一種方法是水溶液試驗(yàn)方法，所用試片是金屬電極，比如銀電極。將兩個(gè)電極放在玻璃板上，再在上面壓一層透明有機(jī)玻璃板，兩個(gè)電極分別與電源的正副極相聯(lián)，在電極間滴入去離子水，模擬結(jié)露狀態(tài)再用相機(jī)拍下在電場(chǎng)作用下不同時(shí)間、不同條件下的電遷移情形。

用這種方法可以直觀地觀測(cè)到離子遷移的物理形態(tài)，可以測(cè)到不同時(shí)間下絕緣電阻的變化，直到兩電極間最終形成短路。

3 離子遷移故障的影響及對(duì)策

離子遷移所造成的故障主要是使印刷線路板的電絕緣性能下降，嚴(yán)重的則是引起線路間的短路，以致于發(fā)生燒毀電器甚至于引起火災(zāi)。這種故障在線間距離趨小的情況下有增長(zhǎng)的可能，因而引起關(guān)注。 日本在 1995-1998 年 4 年期間家電所發(fā)生的設(shè)計(jì)和制造方面的故障有 284 起 , 其中因線路板發(fā)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，由于起火事故往往破壞了線路板的原始狀態(tài)，所以有的即便是離子遷移故障也無(wú)法加以確定。

防止發(fā)生離子遷移故障的一個(gè)重要措施當(dāng)然是要保持使用環(huán)境的干燥，但是線路板制作工藝也十分重要?，F(xiàn)在都已經(jīng)很少用到紙質(zhì)的樹(shù)脂板，并且非常重視防止化學(xué)污染。在所用的電子化學(xué)品中，最容易被忽視的是焊劑，現(xiàn)在所用的焊劑一般由天然或合成樹(shù)脂、有機(jī)胺酸或有機(jī)磺酸及其鹽、有機(jī)溶劑等組成。這些有機(jī)物特別是有機(jī)酸殘留在線路板上，在潮濕條件下會(huì)成為電解質(zhì)而引發(fā)電遷移。因此，選擇和使用合適的焊劑是十分重要的。應(yīng)選用疏水性強(qiáng)的有機(jī)酸和不含鹵素離子的鹽類做活性劑，并要避免其在線路板上的殘留。尤其在采用無(wú)清洗工藝的時(shí)候，這是更為重要的提示。目前我國(guó)對(duì)這一故障的研究還不多見(jiàn)，但小型電子用品已經(jīng)在國(guó)內(nèi)大量投產(chǎn)，國(guó)際電子產(chǎn)品也都十分看好我國(guó)高速增長(zhǎng)的廣大市場(chǎng)。在這種情況下，加強(qiáng)電子產(chǎn)品可靠性的研究是很有必要的.




信息來(lái)源: 慧聰網(wǎng)電子行業(yè)頻道