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PCB/PCBA绝缘失效分
发布时间:2020-03-02 | 信息来源:深圳市启威测标准技术服务有限公司
电介质的损耗是衡量其绝缘性能的重要指标,电介质即绝缘材料,是电气设备、装置中用来隔离存在不同点位的导体的物质,通过各类导体间的绝缘隔断功能控制电流的方向。
一、PCB/PCBA绝缘失效的表征
电介质长期受到点场、热能、机械应力等的破坏。在电场的作用下,电介质会发生极化、电导、耗损和击穿等现象,这些现象的相关物理参数可以用相对介电系数、电导率、介质损耗因数、击穿电压来表征。
二、PCB/PCBA绝缘失效机理
绝缘电阻是表征PCB绝缘性能的一个简单而且容易测量的指标,绝缘失效是指绝缘电阻减小。一般,影响绝缘电阻的因素有温度、湿度、电场强度以及样品处理等。绝缘失效通常可能发生在PCB表面或者内部,前者多见于电化学迁移(ECM)或化学腐蚀,后者则多见于导电阳极丝(CAF)。
三、PCB/PCBA绝缘失效类型
1、电化学迁移(ECM)
电化学迁移是在直流电压的影响下发生的离子运动。在潮湿条件下,金属离子会在阳极形成,并向阴极迁移(见图6.1),形成枝晶。当枝晶连接两种导体时,便造成了短路,而且枝晶会因电流骤增而发生熔断。
发生电化学迁移,需具备四个条件:一是电极施加了电压;二是有离子迁移的通道;三是有离子化的溶液媒介(即水分等);四是有离子性的物质存在。潮湿的环境和表面离子污染(如助焊剂或其他污染物的残留等)均为电化学迁移的发生创造了条件,这也是PCB在存储和加工使用过程中需要特别注意的两个方面。
2、导电阳极丝(CAF)
目前公认的CAF成因是铜离子的电化学迁移随着铜盐的沉积。在高温高湿条件下,PCB内部的树脂和玻纤之间的附力劣化,促成玻纤表面的硅烷偶联剂产生水解,树脂和玻纤分离并形成可供离子迁移的通道。此时,若两个绝缘孔之间存在电势差,那么电势较高的阳极上的铜会氧化成为铜离子,铜离子在电场的作用下向电势较低的阴极迁移,在迁移过程中与板材中的杂质离子或OH结合,生成不溶于水的导电盐并沉积来,使两个绝缘孔之间的电气间距急剧下降,甚至直接导通而形成短路在阳极、阴极的电化学反应如图6.2所示。
影响CAF形成的因素包括基材的选择、导体结构、电压梯度、助焊剂和潮气等。
1)基材的选择
对于现在常用的G-10(非阻燃的环氧玻璃布材料)、PI(聚酰亚胺材料)BT(β-三氮树脂)、CE(氰酸酯)、FR-4(环氧玻璃布)、CEM-3(复合型环氧玻璃布)、MC-2(混合的聚酯和环氧玻板,芯部为短切毡玻璃材料)等,形成CAF的敏感性程度如下:
MC-2>FR-4>G-10> CEM-3> CE >BT
此外,当材料体系一致时,其玻纤越粗,钻孔机械应力产生的裂纹长度越长,耐CAF性能越差。
2)导体结构
在孔与孔、孔与内外层导线、内层或外层导线与导线之间的3种典型导体结构中,孔之间的导体结构最容易形成CAF。常的CAF失效模式如图6.3所示。
3) 电压梯度
TF电压梯度是CAF形成的一个关键因素。平均失效寿命MTTF和电压梯度V之间的关系如下:式中,C和d为常数;Ea为激活能;T为温度;L为导体间距;V为电压。
4) 助焊剂
在焊接过程中,当温度达到PCB的玻璃化转变温度后,聚乙二醇会扩散进入环氧基板,从而增大基板的吸湿性能,增大CAF形成的风险。尤其应该尽量避免采用含氢溴酸的助焊剂或者熔融液体。
5) 潮气
PCBA使用过程中潮气的吸收给CAF的形成提供了反应媒介。这也是PCBA存储和使用过程中需要格外关注的一个因素。
PCB/PCBA常用失效分析技术手段:
切片分析
C-SAM/超声波扫描分析
X-Ray/X射线检测分析
光学轮廓分析
SEM扫描电子显微分析
EDS/X射线能谱分析
FTIR红外光谱分析
短路定位探测分析
红外热成像分析
热分析技术
热重分析(TGA)
静态热机械分析(TMA)
动态热机械分析(DMA)
差示扫描量热分析(DSC)
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