CN103852493B - 对导致印刷电路板的爬行腐蚀的环境条件的早期检测 - Google Patents

Abstract

提供一种装置和方法，用于恰好在计算机中的印刷电路板（PCB）开始遭受爬行腐蚀之前，直接检测到导致PCB的爬行腐蚀的大气条件。实施例指示空气朝向PCB上的爬行腐蚀的倾向性。此外，为了避免由于凝结湿气引起的错误读数，可以通过使用附接到爬行腐蚀监测器的加热器来避免凝结湿气，该加热器保持爬行腐蚀监测器高于露点温度。

Description

对导致印刷电路板的爬行腐蚀的环境条件的早期检测

技术领域

爬行腐蚀（creep corrosion）是印刷电路板（PCB）上的铜和银金属的腐蚀和随后在PCB表面上的硫化物腐蚀产物的爬行（迁移），由此电短路相邻电路板特征件并且使得电子设备故障。

背景技术

伴随湿度和诸如臭氧和二氧化氮之类的其他污染物的共同影响，高水平的含硫气体污染物可能引起印刷电路板上的爬行腐蚀。

可以通过化学分析或者反应监测（reactive monitoring）来测量空气中的污染物。空气的化学分析可以确定空气的成分，包括其很多污染物，诸如含硫气体。反应监测测量暴露于空气的铜和银片（coupon）（金属箔）的腐蚀率。反应监测不测量空气的成分。其给出关于空气中的污染物的一些信息。例如，如果腐蚀产物包括厚层的硫化物，则可以容易地得出空气中的含硫污染物很高。但是这些方法都没有给出污染水平是否严重到足以引起爬行腐蚀的任何直接指示，爬行腐蚀是含硫气体高的环境中的电子硬件故障的常见模式。

存在对于这样的设备的需要，该设备将恰好在计算机中的PCB开始遭受爬行腐蚀之前，直接检测到导致PCB的爬行腐蚀的大气条件的存在。

发明内容

本发明描述这样的设备，该设备将恰好在计算机中的PCB开始遭受爬行腐蚀之前，直接检测到导致PCB的爬行腐蚀的大气条件。本发明指示空气朝向PCB上的爬行腐蚀的倾向性。

在本发明的一个方面中，提供监测可能导致爬行腐蚀的环境条件的装置。该装置包括：具有交叉指型梳状图案的印刷电路板，在图案之间具有间隔；具有受控等级的有机酸性助焊剂污染物的印刷电路板，该有机酸性助焊剂污染物以焊接回流的温度在表面上干燥；电源和大电阻电阻器，串联连接到印刷电路板；微处理器，连接到大电阻电阻器，用于监测电路中的电阻的改变；以及报警器，连接到微处理器，其中，当电路中的电压超过阈值时启动报警器。

根据本发明的另一个方面，提供监测空气的爬行腐蚀倾向性的方法。该方法包括：提供具有交叉指型梳状图案的印刷电路板，该交叉指型梳状图案在图案之间有间隔，所述电路板连接到微处理器；将电源和大电阻电阻器串联连接到印刷电路板；将数据记录器和报警器电路中的至少一个连接到微处理器，以创建腐蚀监测器；当电压通过电路时通过微处理器监测电路的电阻；并且将数据写入数据记录器以及响应于电压超过阈值而触发报警器电路。

附图说明

图1：描绘爬行腐蚀传感器

图2：描绘爬行腐蚀传感器的电路图

图3：描绘印刷电路板的前侧和后测，该印刷电路板在一侧上具有传感器并且在另一侧上具有加热器

图4：描绘启动加热器的流程图

图5：描绘传感器和加热器的高级视图

图6：描绘确定爬行腐蚀的存在的流程图

具体实施方式

在一个实施例中，以与100k欧姆电阻器串联的10V电源和具有交叉指型梳状图案的印刷电路板（PCB）来创建电路。在图案之间测量漏电流。连同报警器在该电阻器上连接数据记录器。数据记录器可以将电压存储为时间的函数。报警器可以设置为当100k欧姆电阻器上的电压变成高于1V时发出响声。数据记录器存储电压相对于时间的信息，其中，信息包括空气中可以引起爬行腐蚀的污染物的水平的历史。如果电压值是零到很低，则数据中心空气是清洁的并且不引起电路板上的爬行腐蚀。如果电压值升高至1V范围内的高值，则意味着数据中心中的空气具有朝向爬行腐蚀的高倾向性。

如果交叉指型梳状图案之间存在短路，则电流将从电源流过电阻器并且腐蚀产物将梳状图案短路。爬行腐蚀事件将被观察为测试板上的图案之间的高漏电流。高漏电流将触发连接到电路的报警器：空气污染高于爬行腐蚀的临界水平。爬行腐蚀监测器将被悬挂在需要被保护不受由于腐蚀气体引起的爬行腐蚀的硬件附近。在优选实施例中，爬行腐蚀监测器位于进气口侧上的计算机机架的前面，以确保监测器经受进入计算机的空气。

如果数据中心中的大气条件足够严重以引起爬行腐蚀，则恰好在爬行腐蚀将发生在实际硬件上之前，其将首先发生在该测试PCB上，这是因为测试PCB包含银金属和有机酸性助焊剂（flux）污染物，已知其组合在现今使用的所有已知PCB组件技术的爬行腐蚀具有最高倾向性。

高漏电流将提高100k欧姆电阻器上的电压。电压对时间的数据将存储在数据记录器中用于稍后获取。报警器设置为如果该电压升高到高于1V发出响声。报警器的触发将指示爬行腐蚀已经在测试PCB上发生并且短路了梳状图案。因此，数据中心中的空气被污染而高于爬行腐蚀的临界水平。

如果报警器发出响声，则梳状图案已经变得电短路。梳状图案测试PCB将被替换。为了容易替换，梳状图案测试PCB可以是这样的，其可以被拔出并且新测试PCB可以容易地插入电路中。

交叉指型梳状图案的间隔和宽度可以在大范围上变化。所以电源电压、电阻器和在其报警器应该被触发的电压的值可以在大范围上变化。如果数据中心中的大气条件严重足以引起爬行腐蚀，则恰好在实际硬件上发生爬行腐蚀之前，首先在该测试电路板上发生爬行腐蚀，这是因为测试电路包含有机酸性助焊剂污染物。

现在参考图1，交叉指型梳状图案110使用用于制造当前PCB的标准材料和工艺印制在印刷电路板（PCB）115上。梳状图案可以由铜或者铜合金（诸如镀银的铜）制成。例如，PCB可以用交叉指型的铜金属来形成图案，交叉指型铜金属上镀有1-10微米厚的银。梳状图案之间的间隔120可能很小，大约0.25mm。线的宽度可能是大约1mm。导线102和103被焊接到交叉指型的梳状图案。侵蚀性有机酸性焊接助焊剂，优选地是免清洗助焊剂（因为其是现今使用的侵蚀性最高的助焊剂）被喷射在图案上，使得图案上的污染物是每平方厘米10-100微克NaCl等效物。加助焊剂的PCB可能以大约200摄氏度烘烤几分钟，以干燥助焊剂。

来自电源130的10V在与电阻器（在本示例中，100k欧姆）140串联的情况下施加到梳状物。当爬行腐蚀发生使得梳状物短路为小于1兆欧姆泄漏路径时，100k欧姆电阻器140上的电压将升高到0.9V。当微处理器/数据记录器150检测到100K欧姆电阻器上的电压大于1V时，其触发报警器160，以指示在爬行腐蚀监测器上已经发生了爬行腐蚀。

在优选实施例中，当漏电流变成高于10微安培时，输出电压变成高于1V以触发报警器。10V时的10微安培相当于传感器的1兆欧姆电阻。所以期望当传感器电阻变成低于1兆欧姆时，触发报警器。

在另一实施例中，为了能够可靠地检测小电流，使用基于两个运算放大器的双级放大。现在转到图2，电压源210被连接到两个交叉指型梳状图案201。电压源可以是10V直流电池。流过电路的电流由梳状结构确定，当相对湿度升高到高于某一值或者爬行腐蚀桥接交叉指型的梳状物之间的间隙时该梳状结构变成导通。大电阻（大约1兆欧姆）电阻器215串联连接。1兆欧姆电阻器上的电压提供交叉指型梳状图案上的漏电流的测量。如果环境条件导致爬行腐蚀桥接交叉指型梳状物之间的间隙，或者如果湿气已经凝结在PCB表面上，则将检测到两个电极之间有小电流流动。因为梳状物201的电阻大于1千兆欧姆，所以电流将很小。如果湿度增加使得凝结或者爬行腐蚀桥接交叉指型梳状物之间的间隙，则电阻将减小至兆欧姆的范围。总的来说，这些将是在本领域难于测量的小电流。该电流将是电压除以梳状结构的电阻。由电池、电阻器和梳状图案组成的硬件全部串联电连接并且安装和容纳在机箱（chassis）250上，该机箱250具有很多打孔开口，以使得空气容易进入并且可以自由地在PCB表面上流动。

第一op放大器（互阻抗放大器）216放大梳状结构上流动的电流并且将其转换为电压，如等式V1=iR1所示。

在第一级220中放大电流（因为腐蚀条件下的交叉指型电极的电阻预期为～1兆欧姆）。第二运算放大器在第二级230中放大电压。op放大器的增益由(R3/R2)计算。在本示例中，因为V是10伏特，R1=1兆欧姆，R2=10兆欧姆并且R3=80兆欧姆，所以Vout是8V。电路可以连接到微控制器240。微控器240可以连接到报警器250，报警器250可以提供存在爬行腐蚀条件的警告。报警器可以是听觉或者视觉警告或者电子消息。微控制器还可以连接到存储器260并且执行数据记录和分析。

如果环境条件不引起爬行腐蚀桥接交叉指型梳状物之间的间隙或者湿气不在PCB表面上凝结，则交叉指型电极的电阻预期>1GΩ；将检测不到信号。

电阻器的选取是代表性的值，并且它们可以根据存储设备的期望分辨率改变。

在另一实施例中，爬行腐蚀监测器的温度保持在露点（dew point）以上以避免凝结以及当实际上已经仅仅发生凝结时关于已经发生爬行腐蚀的假阳性（false positive）。如果湿度变得如此高使得露点温度高于爬行腐蚀传感器的温度，则湿气将在爬行腐蚀传感器上凝结。湿气桥接间隙将使得梳状物之间的间隙导电而给出已经发生爬行腐蚀的错误指示。

为了避免由于凝结湿气引起的错误读数，使用附接到爬行腐蚀监测器的用于保持爬行腐蚀检测器高于露点温度的加热器，来避免凝结湿气。

图3示出具有爬行腐蚀传感器320和加热器320的印刷电路板310。330描绘具有附接的加热器340的电路板的底侧。加热器可以连接到独立电压源350，并且改变电压可以调节温度。

可以在温度和相对湿度已经的情况下计算露点。存在多种近似，但是最广泛使用的一种是http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/BAMS-86-2-225中提及的Magnus公式。

加热器将位于PCB卡的底面，而梳状结构/片将在PCB卡的正面。加热器可以是类似于梳状结构的铜制成的蛇形，并且将随着电流通过电阻性地加热。加热器将连接到电压源。

通常，如果存在铜爬行腐蚀或者如果存在桥接两个梳状物之间的间隙的水层，则梳状结构可以表现为导电。加热具有梳状物的结构将消除水桥接，并且如果电阻仍然低，则其将有可能由于铜爬行腐蚀引起。

参考图4，空气温度415和相对湿度410由传感器420读取，以向微控制器425提供数据，从而计算露点温度430。

微控制器425连接到爬行腐蚀监测器并且记录爬行腐蚀监测器的温度435。

在440中，露点温度430与爬行腐蚀监测器435的温度比较。如果露点温度430高于爬行腐蚀监测器435的温度，则开启加热器，如450中所示。

如果爬行腐蚀监测器的温度等于或者高于露点，则微控制器在460中将检查加热器是否开启。如果加热器开启，则微控制器将发送信号，以关断加热器，如步骤465。如果加热器没有开启，则微控制器不发送信号并且让加热器处于关断状态470。

图5是示出具有爬行腐蚀传感器511的印刷电路板510的实施例的另一描绘。510的底侧附接到加热器512。传感器511附接到检测电路520，如图2中早先讨论。检测电路连接到模拟到数字转换器525，模拟到数字转换器525将模拟数据转换为数字格式。然后该数据被传送到微控制器530。微控制器530可以附接到存储设备535。

微控制器530附接到传感器540，传感器540记录诸如空气温度和相对湿度之类的环境条件。530调节电源545来控制加热器512。加热器512附接到模拟到数字转换器550，模拟到数字转换器550转换数据，使得其可以被反馈回530，以提供连续监测和响应于改变的环境条件对加热器的调整。

图6描绘微处理器例程的流程图。在实施例中，腐蚀传感器发送输出数据到微处理器中。在610中，微控制器读取梳状结构的电阻并且在620中确定PCB板温度是否高于露点。如果不是，则发送信号以例如通过启动加热器在630中增加梳状结构的温度，并且微处理器继续监测梳状结构的电阻。如果PCB板温度高于露点，则微控制器确定梳状结构的电阻是否低于阈值电阻640。在本示例中，阈值是1兆欧姆。如果梳状物的电阻不小于1兆欧姆，则微控制器将不指示铜爬行腐蚀的迹象。如果梳状物的电阻大于1兆欧姆，则微处理器监测梳状物的电阻，以确定电阻是否随着温度增加而增加660。如果是，则存在铜爬行腐蚀的迹象，并且微处理器可以触发报警器。如果梳状结构的电阻不随着温度而增加，则微处理器将不指示铜爬行腐蚀的迹象650。

这里使用的术语是用于仅仅描述具体实施例的目的，并且不意图限制本发明。如这里使用，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。还将理解术语“包括”（和包括的任何形式，诸如“包括”和“包含”之类）、“具有”（和具有的任何形式，诸如“有”和“占有”之类）、包含（和包含的任何形式，诸如“包含”和“含有”之类）和“含有”（和含有的任何形式，诸如“含有”和“包含”之类）是开放式系动词。作为结果，“包括”、“具有”、“包含”或者“含有”一个或者多个步骤或者元件的方法或者设备拥有那些一个或者多个步骤或者元件，但不限于仅仅拥有那些一个或者多个特征。另外，以特定方式配置的设备或者结构至少以该方式配置，但还可以以未列出的方式配置。

所附权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的相应结构、材料、操作以及等效物，如有的话，旨在包括用于结合如特别要求保护的其它所要求保护的元件来执行所述功能的任何结构、材料或操作。呈现本发明的描述是为了示出和描述的作用，但不是穷尽性的或将本发明限制于所公开的形式。许多修改和变化对本领域普通技术人员来说是明显的，且不脱离本发明的范围和精神。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理和实际应用，并使得本领域普通技术人员能通过各种实施例理解本发明和依赖于考虑的特定用途对其的各种修改。

Claims (19)

1.一种监测可能导致爬行腐蚀的环境条件的装置，所述装置包括：

印刷电路板，具有交叉指型的梳状图案以及受控水平的有机酸性助焊剂污染物，所述交叉指型的梳状图案在图案之间具有间隔；

电源和大电阻电阻器，串联连接到印刷电路板；

微处理器，连接到所述大电阻电阻器，用于监测电路中的电阻的改变；以及

报警器电路，连接到微处理器以创建爬行腐蚀监测器，其中，当电路中的电压超过阈值时启动报警器。

2.如权利要求1所述的装置，其中，交叉指型的梳状图案由包含铜的材料制成。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述图案之间的间隔是大约0.25mm。

4.如权利要求1所述的装置，其中，报警器电路指示空气的爬行腐蚀倾向性。

5.如权利要求1所述的装置，其中，当测试印刷电路板短路时，报警器电路触发用于指示已经在印刷电路板上发生爬行腐蚀的报警。

6.如权利要求1所述的装置，还包括数据记录器，连接到非临时性存储介质以存储电压相对时间的信息，其中，所述信息包括空气中能够引起爬行腐蚀的污染物的水平的历史。

7.如权利要求1所述的装置，其中，图案上的助焊剂污染物是每平方厘米10到100微克NaCl等效物。

8.如权利要求1所述的装置，还包括用于监测相对湿度的传感器。

9.如权利要求1所述的装置，还包括连接到爬行腐蚀监测器的加热器，其中，微处理器基于相对湿度和电路的电阻控制加热器。

10.如权利要求9所述的装置，其中，加热器连接到与爬行腐蚀监测器分开的电源。

11.一种监测空气的爬行腐蚀倾向性的方法，包括：

提供具有交叉指型的梳状图案的印刷电路板，所述交叉指型的梳状图案在图案之间有间隔，所述印刷电路板连接到微处理器；

将电源和大电阻电阻器串联连接到所述印刷电路板；

将数据记录器和报警器电路连接到微处理器，以创建爬行腐蚀监测器；

当电压通过电路时通过微处理器监测电路的电阻；

将数据写入数据记录器并且响应于电压超过阈值而触发报警器电路。

12.如权利要求11所述的方法，其中，交叉指型的梳状图案由包含铜的材料制成。

13.如权利要求11所述的方法，其中，印刷电路板附接到加热器，所述加热器由微处理器控制。

14.如权利要求13所述的方法，还包括通过微处理器监测印刷电路板的温度。

15.如权利要求14所述的方法，其中，传感器连接到微处理器，以使得微处理器能够计算露点。

16.如权利要求15所述的方法，还包括基于露点和印刷电路板的温度之间的比较，控制加热器。

17.如权利要求11所述的方法，还包括当测试印刷电路板短路时通过报警器电路触发用于指示已经在印刷电路板上发生爬行腐蚀的报警。

18.如权利要求11所述的方法，还包括通过数据记录器存储电压相对时间的信息，其中所述信息包括空气中能够引起爬行腐蚀的污染物的水平的历史。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述印刷电路板具有受控水平的有机酸性助焊剂，其中，所述助焊剂是侵蚀性有机酸性焊接免清洗助焊剂。