CN111398784A - 一种基于电化学迁移的尘土污染电路板绝缘失效模拟检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电化学迁移的尘土污染电路板绝缘失效模拟检测方法。选取NaCl和石英颗粒作为尘土污染物中可溶性盐和不可溶颗粒的代表成分，对电路板在尘土污染下基于电化学迁移机理的绝缘失效进行模拟和检测，包括以下步骤：一，样品准备。电路板样品清洗；在表面定量添加NaCl溶液和覆盖石英颗粒。二，试验环境准备。包括：设置温湿度；电路板样品接入测试系统；设置偏置电压和测量选项。三，进行实验。包括：启动偏置电压；运行温湿箱；启动多通路绝缘电阻测试系统；实验持续24小时。四，数据处理。对电路板失效现象进行形貌分析；提取特征寿命，进行绝缘失效评判。本发明中提供的测试方法简单高效，实验原理符合实际应用情况。

Description

一种基于电化学迁移的尘土污染电路板绝缘失效模拟检测 方法

技术领域

本申请涉及工程材料技术领域，具体而言，涉及一种基于电化学迁移的尘土污染电路板绝缘失效模拟检测方法。

背景技术

电路板是电子设备中重要的组成部分，电路板及其上封装的电子元器件的故障会影响整个系统的可靠性。我国空气污染严重，尘土颗粒可随空气流动进入电子设备内部，靠重力和静电力附着在电路板及电子元器件表面，并与环境温度、相对湿度、线间电压等环境因素交互作用，导致电路板表面发生基于电化学迁移机理的绝缘失效。

已有研究表明尘土中无机物含量约占70％，从组成上可分为可溶性盐和不可溶性颗粒，其余30％为有机物和炭黑。无机物中可溶性盐约占4％，其余为不可溶性颗粒。研究表明可溶性盐的覆盖使电路板表面临界湿度降低，更易在电路板表面凝聚水膜，从而加快不同电位的线路之间发生电化学迁移失效，引起线间绝缘电阻下降。即使0.1mmol/l浓度的盐溶液也会显著加剧电路板表面的线间电化学迁移现象。研究表明不可溶性颗粒在毛细管作用力下吸附水分，减慢水分的脱附，增大了电路板表面水分滞留时间，促进了阳极金属离子迁移和在阴极还原后生成晶枝状电化学迁移产物的积累，从而加速电路板线间绝缘失效。尘土污染与影响电化学迁移的主要因素温度、相对湿度和线间电压共同作用，对电路板表面发生电化学迁移失效产生复杂的影响，对大气污染环境下电子设备中高密度电路板上具有电位差的线路间的绝缘性能产生潜在的威胁。但目前还没有一种基于电化学迁移失效机理的尘土污染电路板绝缘失效模拟检测方法的技术方案。

为模拟自然积尘影响下基于电化学迁移的电路板绝缘失效过程，本申请介绍的测试方法从自然尘土的可溶性盐与不可溶颗粒两方面入手。

在可溶性盐方面，选取尘土中主要可溶性盐NaCl作为代表，建立NaCl溶液浓度与北京室内自然沉积尘土溶液电导率等效关系，控制NaCl溶液浓度变化来模拟一定积尘时间下的自然尘土中可溶性盐部分对电化学迁移失效的影响。相对于已有的盐雾实验测试方法，本文介绍的测试方法有效避免了盐雾实验腐蚀强度高而导致电路板电极材料本身腐蚀和改变线间绝缘失效机理的缺点。通过NaCl溶液浓度和电路板单位面积添加溶液体积这两个变量控制，实现对自然沉积尘土中可溶性盐的合理模拟。

在尘土不可溶颗粒方面，已有的颗粒模拟实验方法一是以研究可能暴露于干燥的吹砂、吹尘和降尘条件下设备的适应能力为目的的吹砂尘实验，二是以滑石粉为主要成分的电子设备防尘检测实验。本申请模拟实际电子设备内部积尘对电路板绝缘性能的影响，不在于砂尘颗粒对设备的磨损和设备对尘土颗粒的防尘效果，与吹砂尘和滑石粉实验的检测目的不同，因此选用的颗粒成分、尺寸分布、施加方法也不同。本文依据北京室内自然积尘的成分检测和电子设备内部沉积尘土颗粒主要尺寸分布范围(5-20μm)的已有研究成果，选取自然积尘的主要成分石英，其颗粒尺寸为13-18μm，作为不可溶性颗粒的代表。通过不可溶颗粒在电路板上覆盖密度这一可控量，建立与一定时间下自然积尘量的对应关系。因此，整体检测方法简便、可控，对自然尘土模拟效果良好，可实现对其污染下电路板基于电化学迁移而导致绝缘失效的检测评估。

发明内容

1.有鉴于此，本申请的目的在于提供一种基于电化学迁移的尘土污染电路板绝缘失效模拟检测方法，本方法选取NaCl和石英颗粒作为尘土污染物中可溶性盐和不可溶性颗粒的代表成分，对电路板在尘土污染情况下使用过程中出现的基于电化学迁移机理的绝缘失效进行模拟和检测，其具体步骤包括：

一、电路板样品准备

1)用18.2MΩ的去离子水超声清洗电路板，在40±2℃环境内烘干12小时；

2)以积尘时间为36个月的北京室内自然尘土溶液的电导率为依据，用18.2MΩ的去离子水配置达到相同电导率的NaCl溶液，其浓度为7.8mmol/l，使用移液器向测试电路板上滴加NaCl溶液，并使NaCl溶液覆盖被测电路板表面密度达到37.2μl/cm²，然后将电路板置于40±2℃环境内烘干2小时；

3)将电路板取出，与盐溶液相对应，同样以积尘时间为36个月的自然尘土颗粒覆盖密度达到600μg/cm²为依据；通过专用颗粒扬撒设备将颗粒度约13-18μm的石英颗粒在电路板表面进行扬撒，用精度10μg的电子天平检测颗粒扬撒的累积重量，使电路板表面石英颗粒覆盖密度为600±20μg/cm²；颗粒扬撒结束后，电路板样品准备完成；

二、试验环境准备

1)设置温湿箱的温度85℃和相对湿度85％RH，保持时间设置为24小时；

2)将准备好的电路板样品放入温湿箱；

3)将电路板接入多通路绝缘电阻测试系统，并进行系统参数设置，包括：电路板线路电极间表面绝缘电阻测量间隔时间，待测样品的测量线路选择，按通道顺序测量所有样品后到下一轮测量的时间周期；

4)设置稳压源电压数值20V，为电路板线路电极间提供偏置电压，测量某电路板样品表面绝缘电阻时，该线路间的偏置电压被临时切断，测量结束后立刻恢复施加偏置电压，以保证线路间发生电化学迁移的条件；

三、进行试验

1)打开稳压源提供待测电路板表面两极间偏置电压20V；

2)启动温湿箱，提供电路板所在环境的温度85℃和相对湿度85％RH；

3)启动多通路绝缘电阻测试系统轮序测量多个待测电路板样品的表面绝缘电阻阻值；

4)尘土污染模拟实验持续24小时；

四、数据结果处理

1)实验结束后，将电路板样品从温湿箱内取出，在室温下干燥1小时；

2)在光学显微镜下观察电路板表面的失效产物，分析其形貌特性；

3)根据实时测量的绝缘电阻数据绘制绝缘电阻变化曲线，取首次降至10⁶Ω的时间作为失效时间，对多个电路板样品的绝缘失效时间进行威布尔拟合，得到该实验条件下电路板的特征寿命，从而实现在目标温度、相对湿度、偏置电压下基于电化学迁移机理的尘土污染电路板表面绝缘失效的检测，对电路板的质量进行评估。

本发明的优点在于：

1)本发明提供的检测方法简单、快捷；

2)本发明提供的检测方法对于模拟自然尘土所选取的代表物质的成分和施加数量均具有合理的研究依据，能够实现基于电化学迁移机理的尘土污染电路板表面绝缘失效模拟；

3)本发明提供的检测方法通过在线监测电路板表面绝缘电阻变化，可以及时发现实验中的异常情况，提高实验的可信度；

4)本发明提供的检测方法以电路板表面绝缘电阻进行威布尔拟合得到的特征寿命时间为评估指标，结合电路板电化学迁移产物的形貌分析，对样品质量进行评估，区分度良好，实验结果真实可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为梳状电路板样品；

图2为温湿偏置条件下尘土污染电路板绝缘电阻测试系统框图；

图3为电路板电化学迁移产物形貌；

图4为3个电路板样品表面绝缘电阻曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明包括以下步骤，选择某梳状电路板进行说明，如图1所示，样品数量为3个：

1.电路板样品准备

1)用18.2MΩ的去离子水超声清洗电路板，在40±2℃环境内烘干12小时。此步骤是为了去除电路板加工残留、运输贮存过程中的污染物，保证测量的准确性。

2)以积尘时间为36个月的北京室内自然尘土溶液的电导率为依据，用18.2MΩ的去离子水配置达到相同电导率的NaCl溶液，其浓度为7.8mmol/l，使用移液器向测试电路板上滴加NaCl溶液，使其覆盖密度达到37.2μl/cm²。通常电子产品使用寿命要达到36个月的设计标准，通过控制盐溶液浓度和单位面积电路板覆盖的溶液体积，模拟36个月实际使用中电路板表面附着的尘土中的可溶性盐含量。电路板梳状结构表面滴加溶液完毕后，将电路板置于40±2℃环境内烘干2小时。该步骤的目的是将盐均匀施加于电路板表面，完成自然尘土中可溶性盐部分的沉积。

3)烘干结束后，将电路板取出，同样以积尘时间为36个月的自然尘土颗粒覆盖密度达到600μg/cm²为依据。由于在实际应用中电子设备内部的自然尘土颗粒尺寸集中在5-20μm之间，因此筛选颗粒度约13-18μm的石英颗粒，通过专用颗粒扬撒设备将石英颗粒在电路板表面进行均匀扬撒，用精度10μg的电子天平检测颗粒扬撒的累积重量，使电路板表面石英颗粒覆盖密度为600±20μg/cm²。该步骤目的是将石英颗粒均匀置于电路板表面，完成自然尘土中不可溶性部分的沉积模拟。扬尘结束后，电路板样品准备完成。

2.试验环境准备

1)温湿偏置条件下尘土污染电路板绝缘电阻测试系统如图2所示。根据实验需求，设置温湿箱的温度85℃和相对湿度值85％RH，在实验过程中保持恒温恒湿状态。在高温高湿条件下，在有可溶性盐和不可溶颗粒的情况下，为电路板电极材料的电化学迁移提供了必要的溶液条件。

2)待测电路板样品放入温湿箱。

3)将待测电路板接入多通路绝缘电阻测试系统，并进行系统参数设置，包括：电路板两极间绝缘电阻测量间隔时间，待测样品的测量线路选择，按通道顺序测量所有样品后到下一轮测量的时间周期。

4)设置稳压源电压数值20V，为电路板两极间提供偏置电压，测量某电路板表面的绝缘电阻时，该线路间的偏置电压被临时切断，测量结束后立刻恢复，以保证线路间发生电化学迁移的条件。偏置电压是电路板表面溶液中离子运动的驱动力，测量绝缘电阻时偏置电压的短暂切断不会对溶液中离子迁移的驱动造成过大影响。

3.进行试验

1)打开稳压源提供待测电路板表面两极间偏置电压20V。

2)启动温湿箱，提供电路板所在环境的温度85℃和相对湿度85％RH。

3)启动多通路绝缘电阻测试系统监测多个待测电路板表面的绝缘电阻阻值。绝缘电阻显示了处于一定温湿偏置条件下电路板表面两电极之间绝缘漏电的程度，直接表征了正负极之间离子运动、电化学迁移产物形成的反应过程，是判断电化学反应进行的重要参数，需要进行在线监测。

4)温湿偏置条件下尘土污染模拟实验持续24小时。

4.数据结果处理

1)实验结束后，将电路板样品从温湿箱内取出，在室温下干燥1小时；

2)在光学显微镜下观察电路板表面的失效产物，分析其形貌特性，如图3所示。由形貌观察可以判断线路之间是否形成电化学迁移的晶枝产物，获得晶枝数量和粗细等信息，辅助电路板绝缘性能的评价。

3)根据实时测量的绝缘电阻数据绘制绝缘电阻变化曲线，如图4所示。取首次降至10⁶Ω的时间作为失效时间，对多个电路板样品的绝缘失效时间进行威布尔拟合，得到该实验条件下电路板的特征寿命，从而实现在目标温度、相对湿度、偏置电压下尘土污染电路板表面绝缘失效的模拟和检测，对电路板的质量进行评估。对多个电路板的失效时间进行威布尔拟合，计算过程如下：

采用二参数威布尔分布，两个参数：形状参数m，尺度参数η。

若随机变量T服从二参数威布尔分布，则其寿命累积失效概率函数(又称分布函数)和概率密度函数分别为：

其中，m、η>0。

本文采用图解法进行参数估计。对于二参数威布尔分布而言，可以通过变换，使得实验数据点拟合为直线。将式(1)变换如下：

等式两边同时取两次对数，得到：

令：

并带入到式(4)得到：

y＝mx+b (5)

具体的计算步骤如下：

1)将数据t_i(i＝1,…,n)从小到大排序；

2)按照中位秩的计算公式，计算寿命累积失效概率F(t_i)的估计值

3)绘制数据点于威布尔概率图上，点的坐标为

4)绘制这些点的拟合直线；

5)由拟合直线的斜率和截距计算得到形状参数m和尺度参数η的估计值。

5.实验结果

图3为电路板发生电化学迁移的失效产物形貌,在电路板平行线路之间确实发生了电化学迁移，阳极金属被氧化生成阳离子，在电场力的作用下在水膜中向阴极迁移。随着越来越多的金属离子在阴极被还原，迁移产物从阴极向阳极生长，形成了晶枝，数量较多，并成簇状聚集生长，造成了线间绝缘性能下降。

图4为电路板表面绝缘电阻的变化曲线，经过加速实验后电路板表面绝缘电阻均降至10⁶Ω以下，即发生了电化学迁移失效。表1为3个梳状电路板样品经过温湿偏置条件下尘土污染模拟实验后的失效时间及其威布尔特征寿命结果。

表1电路板表面绝缘失效时间(min)

对3个失效时间进行二参数威布尔拟合，拟合曲线为y＝1.3629x-6.6058，即m＝1.3629，b＝-6.6058。由b＝-mlnη计算得到特征寿命值η为127.34min。

本发明中电路板表面绝缘失效检测的原理如下：

实验样品为浸银梳状FR-4电路板，平行导线间距0.32mm，表面镀银层厚度为0.15μm，基底金属为铜，厚度为50μm。在一定环境温度、相对湿度和偏置电压情况下，沉积在电路板表面的尘土会与这些因素相互作用，对电路板表面发生电化学迁移的程度和特性产生影响，导致电路板线间绝缘失效。

由于自然尘土包括可溶性盐和不可溶颗粒，为人工模拟尘土在实际应用中对电路板绝缘失效的作用情况，选取尘土可溶性盐中主要成分之一的NaCl作为尘土可溶性盐的代表，通过控制NaCl溶液浓度和电路板单位面积添加的溶液体积可与一定积尘时间的尘土中所含可溶性盐的含量对应。选取尘土不可溶物质中主要成分之一的石英颗粒作为不可溶颗粒的代表，通过使用与电子设备中沉积尘土颗粒度对应的石英颗粒，并控制颗粒覆盖密度实现对一定沉积时间的自然尘土的模拟。通过这种方式，模拟电路板在一定温度、相对湿度、偏置电压和尘土污染条件下的电路板绝缘失效。

电路板表面绝缘电阻和电化学迁移产物的检测，是判断电路板绝缘性能退化和失效机理的重要指标。通过电路板表面绝缘电阻在线监测获取电路板特征寿命和电化学迁移反应产物的形貌检测，为最终电路板绝缘失效的评估提供依据。

本发明提供了一种基于电化学迁移的尘土污染电路板绝缘失效模拟检测方法，方案中包含了影响电化学迁移的重要的因素：温度、相对湿度、偏置电压、尘土污染。在一定的温湿度环境下，可溶性盐和不可溶颗粒与环境发生相互作用，电路板表面吸附水分，溶解可溶性盐形成电解液。在电场作用下溶液中的阴离子定向运动到阳极。电路板阳极的金属在富集阴离子的环境下发生电化学腐蚀，最终导致电路板阳极金属电离，在电场驱动下在溶液膜层中向阴极运动，并还原为金属原子形成晶枝，造成电极之间绝缘电阻下降甚至短路，这就是电化学迁移现象。本发明的模拟检测方法符合电路板实际电化学迁移机理，模拟了尘土中可溶性盐和不可溶颗粒主要成分对电路板绝缘失效的作用，又满足了加速实验要求，可以针对基于电化学迁移机理的电路板绝缘失效进行检测评估。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于电化学迁移的尘土污染电路板绝缘失效模拟检测方法，本方法选取NaCl和石英颗粒作为尘土污染物中可溶性盐和不可溶性颗粒的代表成分，对电路板在尘土污染情况下使用过程中出现的基于电化学迁移机理的绝缘失效进行模拟和检测，其具体步骤包括：

一、电路板样品准备

1)用18.2MΩ的去离子水超声清洗电路板，在40±2℃环境内烘干12小时；

2)以积尘时间为36个月的北京室内自然尘土溶液的电导率为依据，用18.2MΩ的去离子水配置达到相同电导率的NaCl溶液，其浓度为7.8mmol/l，使用移液器向测试电路板上滴加NaCl溶液，并使NaCl溶液覆盖被测电路板表面密度达到37.2μl/cm²，然后将电路板置于40±2℃环境内烘干2小时；

3)将电路板取出，与盐溶液相对应，同样以积尘时间为36个月的自然尘土颗粒覆盖密度达到600μg/cm²为依据；通过专用颗粒扬撒设备将颗粒度约13-18μm的石英颗粒在电路板表面进行扬撒，用精度10μg的电子天平检测颗粒扬撒的累积重量，使电路板表面石英颗粒覆盖密度为600±20μg/cm²；颗粒扬撒结束后，电路板样品准备完成；

二、试验环境准备

1)设置温湿箱的温度85℃和相对湿度85％RH，保持时间设置为24小时；

2)将准备好的电路板样品放入温湿箱；

3)将电路板接入多通路绝缘电阻测试系统，并进行系统参数设置，包括：电路板线路电极间表面绝缘电阻测量间隔时间，待测样品的测量线路选择，按通道顺序测量所有样品后到下一轮测量的时间周期；

4)设置稳压源电压数值20V，为电路板线路电极间提供偏置电压，测量某电路板样品表面绝缘电阻时，该线路间的偏置电压被临时切断，测量结束后立刻恢复施加偏置电压，以保证线路间发生电化学迁移的条件；

三、进行试验

1)打开稳压源提供待测电路板表面两极间偏置电压20V；

2)启动温湿箱，提供电路板所在环境的温度85℃和相对湿度85％RH；

3)启动多通路绝缘电阻测试系统轮序测量多个待测电路板样品的表面绝缘电阻阻值；

4)尘土污染模拟实验持续24小时；

四、数据结果处理

1)实验结束后，将电路板样品从温湿箱内取出，在室温下干燥1小时；

2)在光学显微镜下观察电路板表面的失效产物，分析其形貌特性；

3)根据实时测量的绝缘电阻数据绘制绝缘电阻变化曲线，取首次降至10⁶Ω的时间作为失效时间，对多个电路板样品的绝缘失效时间进行威布尔拟合，得到该实验条件下电路板的特征寿命，从而实现在目标温度、相对湿度、偏置电压下基于电化学迁移机理的尘土污染电路板表面绝缘失效的检测，对电路板的质量进行评估。

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