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)品的體積越來越小，使得對承載各種線路的基板的要求也越來越高。無論是多層板的層數(shù)和通孔的孔徑，還是布線寬度和線距都趨向于微細化，對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. 。并且這些都有進一步向更細微化和薄層化發(fā)展的趨勢。 （ 1 ） 在這種情況下，對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)是一個重要的課題。

在發(fā)生短路故障的原因中，一個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，就會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、機械強度、表面平整度、絕緣性、熱傳導(dǎo)性等。這些性能還和時間和溫度有密切關(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，在長時間和高潮濕條件下，所有指標(biāo)都會劣化。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)生離子化并在電場作用下通過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)象沒有引起重視。

最早對這一現(xiàn)象進行研究的是美國貝爾實驗室的 Kohman 等人,他們發(fā)現(xiàn)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(nèi)有檢出，他們證實是銀離子的遷移。這種現(xiàn)象有時會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。但是很長一個時期幾乎沒有人關(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(fā)展，使對基板材質(zhì)的研究有所發(fā)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(shù)還只是局限在西方，并且論著并不多見。到了二十世紀(jì)八十年代特別是九十年代以來，日本也開始關(guān)注這一課題，關(guān)于這方面的研究報告也多起來。(4) 由于沒有統(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時，這兩邊的金屬就成為兩個電極，其中作為陽極的一方發(fā)生離子化并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，樹脂性能等。

從基板的構(gòu)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(zhì)、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(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。

從更深入的研究來看，線路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計也與是否發(fā)生離子遷移故障有關(guān)連。因為線路板上的電場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)計有關(guān)的。其中線路間距和線路間所存在的直流電場與發(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)生處于陽極狀態(tài)的金屬的離子化并向相對的陰極遷移。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(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。這些因素對線路板絕緣壽命的影響可用下列關(guān)系式表達：

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(dǎo)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(shù)和系數(shù)。使用這種評價方法只能間接反映離子遷移的影響，但無論怎么說，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。

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理，在實驗中要模擬離子的遷移過程。通常采用的方法有兩種，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(nèi)，以高濕度和一定溫度下使試片發(fā)生離子遷移現(xiàn)象，然后通過與試片聯(lián)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(lián)，在電極間滴入去離子水，模擬結(jié)露狀態(tài)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(tài)，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。

3 離子遷移故障的影響及對策

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法加以確定。

防止發(fā)生離子遷移故障的一個重要措施當(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線路板上，在潮濕條件下會成為電解質(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)選用疏水性強的有機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。尤其在采用無清洗工藝的時候，這是更為重要的提示。目前我國對這一故障的研究還不多見，但小型電子用品已經(jīng)在國內(nèi)大量投產(chǎn)，國際電子產(chǎn)品也都十分看好我國高速增長的廣大市場。在這種情況下，加強電子產(chǎn)品可靠性的研究是很有必要的.




信息來源: 慧聰網(wǎng)電子行業(yè)頻道