การย้ายยอนใน PCBs: ความคุกคามต่อความน่าเชื่อถือและการควบคุมการปนเปื้อนระดับสูง

ในวงจรที่ซับซ้อนของ PCB ที่ทันสมัยซึ่งระยะห่างของการติดตามสามารถแคบได้เท่ากับ 2-3 ล้านแม้กระทั่งระดับการปนเปื้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์สามารถกระตุ้นความล้มเหลวของหายนะได้ การย้ายถิ่นของไอออน - กระบวนการทางเคมีไฟฟ้าที่เงียบซึ่งไอออนโลหะจะอพยพข้ามพื้นผิวฉนวนภายใต้อิทธิพลของความชื้นและสนามไฟฟ้า - แรนค์ท่ามกลางภัยคุกคามที่ร้ายกาจที่สุดต่อความน่าเชื่อถือของ PCB ปรากฏการณ์นี้ไม่เพียง แต่ทำให้เกิดข้อบกพร่องเป็นระยะ ๆ มันสามารถนำไปสู่การปิดอุปกรณ์ที่สมบูรณ์ในแอพพลิเคชั่นที่สำคัญเช่นจอภาพทางการแพทย์ระบบการบินและอวกาศและสถานีฐาน 5G การทำความเข้าใจว่าการย้ายถิ่นของไอออนเกิดขึ้นได้อย่างไรผลกระทบต่อประสิทธิภาพของ PCB และกลยุทธ์การควบคุมการปนเปื้อนล่าสุดเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรและผู้ผลิตที่มีเป้าหมายเพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ติดทนนานและมีความน่าเชื่อถือสูง

การย้ายถิ่นของไอออนคืออะไรและเกิดขึ้นได้อย่างไร?
การย้ายถิ่นของไอออนคือการเคลื่อนไหวของไอออนโลหะที่มีประจุ (โดยทั่วไปคือทองแดงเงินหรือดีบุก) ผ่านหรือข้ามพื้นผิวของวัสดุฉนวน PCB (หน้ากากประสาน, พื้นผิว) ภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ กระบวนการต้องการปัจจัยสำคัญสามประการที่จะเกิดขึ้น:
1. การปนเปื้อนของไอออนิก: สารตกค้างจากการผลิต (ฟลักซ์, etchants, การจัดการน้ำมัน), มลพิษต่อสิ่งแวดล้อม (ฝุ่น, ความชื้น), หรือผลพลอยได้จากการดำเนินงาน (การกัดกร่อน, การย่อยสลายร่วมกันของประสาน)
2.Moisture: น้ำ (จากความชื้นการควบแน่นหรือการสัมผัสโดยตรง) ทำหน้าที่เป็นตัวนำทำให้ไอออนเคลื่อนที่ได้ แม้แต่ความชื้นสัมพัทธ์ 60% (RH) ก็เพียงพอที่จะเปิดใช้งานการย้ายถิ่นใน PCB ที่ปนเปื้อน
3.electric Field: ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างร่องรอยที่อยู่ติดกันสร้างแรงผลักดันที่ดึงไอออนจากขั้วบวก (ด้านบวก) ไปทางแคโทด (ด้านลบ)
เมื่อเวลาผ่านไปการเคลื่อนไหวนี้นำไปสู่การก่อตัวของ dendrites-บาง ๆ เส้นใยโลหะคล้ายต้นไม้ที่เชื่อมช่องว่างระหว่างร่องรอย เมื่อ dendrite เชื่อมต่อตัวนำสองตัวมันจะทำให้เกิดการลัดวงจร แม้กระทั่งก่อนการเชื่อมโยงที่สมบูรณ์การเติบโตของ dendrite บางส่วนสามารถเพิ่มกระแสรั่วไหลลดลงความสมบูรณ์ของสัญญาณหรือทำให้เกิดความล้มเหลวเป็นระยะ ๆ

ผลกระทบของการโยกย้ายไอออนต่อความน่าเชื่อถือของ PCB
ผลที่ตามมาของการย้ายถิ่นของไอออนแตกต่างกันไปตามการใช้งาน แต่มักจะส่งผลให้เกิดความล้มเหลวที่มีค่าใช้จ่ายสูงบางครั้ง นี่คือวิธีที่มีผลต่อการวัดประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน:
1. วงจรสั้นและความล้มเหลวอย่างรุนแรง
การก่อตัวของ Dendrite เป็นความเสี่ยงหลัก ตัวอย่างเช่น:
AA 5G Base Station PCB ที่มีระยะห่างจากการติดตาม 3 ม. สามารถพัฒนา dendrite นำไฟฟ้าได้ในเวลาเพียง 6 เดือนภายใต้ความชื้นสูง (85% RH) และอคติ 30V ทำให้สั้น ๆ ที่ปิดใช้งานโมดูลวิทยุทั้งหมด
B.Medical Infusion Pumps ที่มี PCBs ที่ปนเปื้อนได้สัมผัสกับกางเกงขาสั้นที่เกิดจาก dendrite ซึ่งนำไปสู่การส่งมอบยาที่ไม่ถูกต้องซึ่งเป็นสถานการณ์ที่คุกคามชีวิต

2. การย่อยสลายความสมบูรณ์ของสัญญาณ
แม้แต่การย้ายถิ่นของไอออนบางส่วนก็เพิ่มกระแสรั่วไหลระหว่างร่องรอยซึ่งขัดขวางสัญญาณความถี่สูง (10+ GHz) ใน 5G, เรดาร์และอุปกรณ์ IoT ตัวอย่างเช่น:
A. กระแสไฟฟ้าที่สูงกว่า 100NA สามารถทำให้เกิดการสะท้อนสัญญาณและการลดทอนใน PCBs 28GHz 5G ซึ่งลดปริมาณงานลง 30%+
B.IN วงจรอะนาล็อกที่แม่นยำ (เช่นจอภาพ ECG), เสียงรบกวนที่เกิดจากการย้ายถิ่นของไอออนสามารถทำลายสัญญาณแรงดันไฟฟ้าต่ำ (≤1MV) ซึ่งนำไปสู่การอ่านที่ไม่ถูกต้อง

3. ลดอายุการใช้งานและการบำรุงรักษาที่เพิ่มขึ้น
PCBs ที่มีความเสียหายจากการย้ายถิ่นของไอออนมักจะต้องมีการเปลี่ยนก่อนกำหนด การศึกษาโดย IPC พบว่าการย้ายถิ่นของไอออนลดอายุการใช้งาน PCB ลง 50-70% ในสภาพแวดล้อมที่ชื้น (เช่นภูมิภาคชายฝั่งสถานที่อุตสาหกรรมที่มีความชื้นสูง) สำหรับระบบการบินและอวกาศสิ่งนี้แปลว่าค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาเพิ่มขึ้น-สูงถึง $ 100,000 ต่อการทดแทนสำหรับความบันเทิงในเที่ยวบินหรือการนำทาง PCBs

แหล่งสำคัญของการปนเปื้อนไอออนิก
เพื่อป้องกันการย้ายถิ่นของไอออนเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องระบุและกำจัดแหล่งที่มาของการปนเปื้อน ผู้ร้ายที่พบมากที่สุด ได้แก่ :

1. การผลิตสารตกค้าง
ฟลักซ์ตกค้าง: ฟลักซ์ที่ใช้ Rosin-based หรือไม่มีการทำความสะอาดทำให้เกิดการตกค้างของไอออนิก (เฮไลด์, กรดอินทรีย์) หากไม่ได้ทำความสะอาดอย่างเหมาะสม ฟลักซ์ที่ไม่สะอาดในขณะที่สะดวกสามารถสะสมได้เมื่อเวลาผ่านไปโดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง
การแกะสลักและการชุบสารเคมี: คลอไรด์จาก etchants (เช่น cupric คลอไรด์) หรือซัลเฟตจากการชุบอ่างที่ไม่ได้ล้างอย่างเต็มที่สามารถอยู่บนพื้นผิว PCB ได้
การจัดการน้ำมัน: ลายนิ้วมือมีเกลือ (โซเดียมโพแทสเซียม) และกรดไขมันที่ละลายในความชื้นสร้างเส้นทางไอออนิก

2. สารปนเปื้อนด้านสิ่งแวดล้อม
ความชื้นและน้ำ: RH สูง (> 60%) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่น้ำของเหลว (เช่นจากการควบแน่นในกรงกลางแจ้ง) เร่งการเคลื่อนไหวของไอออน
สารมลพิษทางอุตสาหกรรม: โรงงานโรงกลั่นและพื้นที่ชายฝั่งทำให้ PCBs ไปยังซัลเฟอร์ไดออกไซด์สเปรย์เกลือ (NaCl) หรือแอมโมเนียซึ่งทั้งหมดนั้นเป็นไอออนที่มีการกัดกร่อน
ฝุ่นและอนุภาค: ฝุ่นอากาศมักจะมีแร่ธาตุ (แคลเซียมแมกนีเซียม) ที่ละลายในความชื้นเพิ่มความเข้มข้นของไอออนิก

3. การสึกหรอในการดำเนินงาน
การย่อยสลายร่วมกันของประสาน: ข้อต่อบัดกรีอายุปล่อยดีบุกและไอออนตะกั่วโดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้การปั่นจักรยานความร้อน (-55 ° C ถึง 125 ° C)
การกัดกร่อน: ร่องรอยทองแดงหรือส่วนประกอบนำไปสู่การสึกกร่อนในสภาพแวดล้อมที่ชื้นและปนเปื้อนปล่อยCu²⁺ไอออนที่ทำให้เกิดการโยกย้ายเชื้อเพลิง

การทดสอบการปนเปื้อนของไอออนิก: การตรวจจับก่อนช่วยประหยัดค่าใช้จ่าย
การตรวจหาการปนเปื้อนของไอออนิกในระยะแรกเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการป้องกันการย้ายถิ่นของไอออน การทดสอบมาตรฐานอุตสาหกรรมวัดระดับการปนเปื้อนก่อนที่ PCB จะเข้าสู่บริการ:
1. ไอออนโครมาโตกราฟี (IC)
มาตรฐานทองคำสำหรับการหาปริมาณสารปนเปื้อนไอออนิกสารสกัดจากพื้นผิว PCB โดยใช้น้ำ DI จากนั้นวิเคราะห์สารละลายสำหรับไอออนเฉพาะ (คลอไรด์, ซัลเฟต, โซเดียม)
ขั้นตอน: PCBs ถูกแช่อยู่ในน้ำ DI ที่ร้อน (75 ° C) เป็นเวลา 1 ชั่วโมงเพื่อละลายสารปนเปื้อน สารสกัดถูกฉีดเข้าไปใน chromatograph ไอออนซึ่งระบุและปริมาณไอออน
เกณฑ์การยอมรับ: IPC-TM-650 2.3.28 ระบุสูงสุด1.56μg/cm² (เทียบเท่า NaCl) สำหรับ PCB ที่น่าเชื่อถือสูง (คลาส 3)

2. การทดสอบการนำไฟฟ้า (การทดสอบ ROSE)
ทางเลือกที่เร็วกว่าและราคาไม่แพงความต้านทานของการทดสอบสารสกัดจากตัวทำละลาย (ROSE) วัดค่าการนำไฟฟ้าของสารละลายสารสกัด - ค่าการนำไฟฟ้าที่สูงขึ้นบ่งชี้ว่ามีการปนเปื้อนไอออนิกมากขึ้น
ขั้นตอน: คล้ายกับ IC แต่ค่าการนำไฟฟ้าของสารสกัด (ในμs/cm) ถูกวัดแทนไอออนเฉพาะ
ข้อ จำกัด : ไม่ได้ระบุประเภทไอออน แต่ให้ผลลัพธ์ที่ผ่านมา/ล้มเหลวอย่างรวดเร็ว
เกณฑ์การยอมรับ: ≤1.5μs/cm สำหรับ PCBs คลาส 3

3. การทดสอบความต้านทานฉนวนพื้นผิว (SIR)
การทดสอบเซอร์ประเมินว่า PCB ต่อต้านการย้ายถิ่นของไอออนภายใต้เงื่อนไขการปฏิบัติงานได้ดีเพียงใด เป็นวิธีที่ตรงที่สุดในการทำนายความน่าเชื่อถือในระยะยาว
การตั้งค่า: PCBs ที่มีรูปแบบการทดสอบ (โครงสร้างหวีที่มีระยะห่าง 2-5 ล้านระยะห่าง) จะอยู่ภายใต้ความชื้นสูง (85% RH) และอคติแรงดันไฟฟ้า (50–100V) เป็นเวลา 1,000+ ชั่วโมง
การวัด: ตรวจสอบความต้านทานของฉนวนระหว่างร่องรอย การลดลงต่ำกว่า10⁸Ωหมายถึงความเสี่ยงการย้ายถิ่นของไอออนอย่างมีนัยสำคัญ
สำคัญสำหรับ: Aerospace, Medical และ Automotive PCB ซึ่งความล้มเหลวมีค่าใช้จ่ายสูง

กลยุทธ์การควบคุมการปนเปื้อน: ป้องกันการย้ายถิ่นของไอออน
การควบคุมการปนเปื้อนที่มีประสิทธิภาพต้องใช้วิธีการหลายชั้นการรวมแนวปฏิบัติที่ดีที่สุดในการผลิตการเลือกวัสดุและการป้องกันสิ่งแวดล้อม
1. การทำความสะอาดอย่างเข้มงวดในระหว่างการผลิต
การทำความสะอาดหลังฟลุฟซ์: สำหรับ PCB ที่มีความน่าเชื่อถือสูงใช้การทำความสะอาดน้ำ (ด้วยน้ำที่ปราศจากไอออนและผงซักฟอกอ่อน) หรือการทำความสะอาดอัลตราโซนิกเพื่อกำจัดฟลักซ์ตกค้าง หลีกเลี่ยงการพึ่งพาฟลักซ์“ ไม่สะอาด” สำหรับแอปพลิเคชันที่ชื้นหรือวิกฤตเท่านั้น
การล้างอย่างเพียงพอ: หลังจากการแกะสลักการชุบหรือการบัดกรีใช้น้ำไหลหลายขั้นตอน (ความบริสุทธิ์ 18 mΩ-cm) เพื่อกำจัดสารเคมีตกค้าง การล้างครั้งสุดท้ายควรมีของแข็งที่ละลายได้ <5ppm ทั้งหมด (TDS)
การจัดการการทำความสะอาด: ประมวลผล PCBs ใน ISO 8 หรือห้องทำความสะอาดที่ดีกว่าเพื่อลดการปนเปื้อนของฝุ่นและลายนิ้วมือ บังคับใช้การใช้ถุงมือ (ไนไตรล์ไม่ใช่น้ำยางซึ่งทำให้อนุภาค)

2. การเลือกวัสดุเพื่อต้านทานการปนเปื้อน
หน้ากากประสาน: เลือกมาสก์บัดกรีประสิทธิภาพสูงที่มีการดูดซับน้ำต่ำ (<0.1%) และความต้านทานทางเคมี (เช่นหน้ากากที่ใช้อีพ็อกซี่เช่น Taiyo PSR-4000) สิ่งเหล่านี้ต้านทานการเจาะความชื้นและป้องกันการย้ายถิ่นของไอออนผ่านหน้ากาก
พื้นผิว: พื้นผิว High-TG FR-4 หรือ PTFE (สำหรับการออกแบบความถี่สูง) มีความต้านทานความชื้นที่ดีกว่า FR-4 มาตรฐานลดเส้นทางการขนส่งไอออน
การเคลือบที่สอดคล้องกัน: สำหรับ PCBs ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงให้ใช้การเคลือบแบบสอดคล้อง (ซิลิโคนอะคริลิคหรือ parylene) เพื่อปิดผนึกพื้นผิวปิดกั้นความชื้นและสารปนเปื้อน Parylene C ซึ่งมีความครอบคลุมที่ไม่มีรูเข็มมีประสิทธิภาพสำหรับอุปกรณ์การแพทย์

3. การควบคุมสิ่งแวดล้อมในการดำเนินงาน
การจัดการความชื้น: ใส่ PCBs ในเปลือกปิดผนึกที่มีสารดูดความชื้นหรือการควบคุมสภาพอากาศ (รักษา RH <50%) สำหรับการใช้งานกลางแจ้งหรืออุตสาหกรรม
สารยับยั้งการกัดกร่อน: ใช้สารยับยั้งการกัดกร่อนของไอ (VCI) ในสิ่งที่แนบมาเพื่อต่อต้านมลพิษทางอากาศ (เช่นซัลเฟอร์ไดออกไซด์เกลือ)
การบำรุงรักษาปกติ: สำหรับอุปกรณ์ที่มีอายุการใช้งานยาวนาน (เช่นตัวควบคุมกังหันลม) กำหนดเวลาทำความสะอาดเป็นระยะด้วยไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ (IPA) เพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนของพื้นผิว

4. การออกแบบเพื่อลดความเสี่ยงการย้ายถิ่นฐาน
ระยะห่างของการติดตามที่เพิ่มขึ้น: หากเป็นไปได้การออกแบบที่มีระยะห่างจากการติดตาม> 5 ล้านเพื่อชะลอการเติบโตของ dendrite สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ PCBs แรงดันสูง (> 24V)
Guard Rings: เพิ่มวงแหวนทองแดงที่ต่อสายดินรอบ ๆ ร่องรอยที่ละเอียดอ่อนเพื่อเบี่ยงเบนไอออนออกจากเส้นทางสัญญาณ
มาสก์บัดกรีเหนือ Bare Copper (SMOBC): ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการครอบคลุมหน้ากากแบบประสานเต็มระหว่างร่องรอยเพื่อป้องกันเส้นทางการย้ายถิ่นของไอออน หลีกเลี่ยง“ ช่องว่างหน้ากาก” ที่เปิดเผยทองแดง

กรณีศึกษา: กำจัดการย้ายถิ่นของไอออนในอุปกรณ์การแพทย์
ผู้ผลิตจอมอนิเตอร์ ECG แบบพกพาต้องเผชิญกับความล้มเหลวของสนามบ่อยครั้ง (20% ภายใน 12 เดือน) เนื่องจากกางเกงขาสั้นที่เกิดจากการเคลื่อนย้ายไอออน การวิเคราะห์สาเหตุที่แท้จริงเปิดเผย:
ฟลักซ์ที่ไม่สะอาด (ระดับคลอไรด์> 3μg/cm²เกินขีด จำกัด IPC)
ความชื้นสูงในสภาพแวดล้อมทางคลินิก (65–70% RH)
ระยะห่างระหว่างการติดตาม 3 ไมล์ในเส้นทางสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจ
โซลูชั่นนำไปใช้:
1. มีการเปลี่ยนจากฟลักซ์ที่ไม่สะอาดไปจนถึงฟลักซ์น้ำสะอาดด้วยการทำความสะอาดอัลตราโซนิก
2. ใช้ Parylene C การเคลือบแบบ conformal เพื่อปิดผนึกพื้นผิว PCB
3. ระยะห่างจากการติดตามในเส้นทางวิกฤตถึง 6 ล้าน
ผลลัพธ์:
การทดสอบโครมาโตกราฟีไอออนแสดงให้เห็นว่าระดับคลอไรด์ลดลงเหลือ <0.5μg/cm²
ความล้มเหลวในสนามลดลงเป็น <1% ในช่วง 24 เดือน
SIR การทดสอบภายใต้อคติ 85% RH/50V แสดงให้เห็นว่าไม่มีความต้านทานฉนวนลดลงมากกว่า 1,000 ชั่วโมง

การโยกย้ายไอออนกับโหมดความล้มเหลวอื่น ๆ
การย้ายถิ่นของไอออนมักจะสับสนกับกลไกความล้มเหลวของ PCB อื่น ๆ แต่มีความแตกต่างที่สำคัญ: มีอยู่:

การทำความเข้าใจความแตกต่างเหล่านี้ช่วยในการวิเคราะห์สาเหตุที่สำคัญ - สำคัญสำหรับการใช้การแก้ไขที่เหมาะสม

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: ตรวจพบการย้ายถิ่นของไอออนเมื่อตรวจพบได้หรือไม่?
ตอบ: ไม่ได้ dendrites และการปนเปื้อนของไอออนิกทำให้เกิดความเสียหายถาวร การป้องกันผ่านการทดสอบและการควบคุมก่อนกำหนดเป็นทางออกเดียว

ถาม: การเคลือบแบบ conformal จำเป็นสำหรับ PCB ทั้งหมดหรือไม่?
ตอบ: ไม่ แต่ขอแนะนำอย่างยิ่งสำหรับ PCBs ในสภาพแวดล้อมที่ชื้น (> 50% RH), มลพิษหรือสภาพแวดล้อมกลางแจ้ง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมอาจไม่ต้องการ

ถาม: การทดสอบ SIR ควรดำเนินการบ่อยแค่ไหน?
ตอบ: สำหรับการออกแบบใหม่การทดสอบ SIR เป็นสิ่งสำคัญในระหว่างการรับรอง สำหรับการผลิตในปริมาณมากขอแนะนำให้สุ่มตัวอย่างรายไตรมาสเพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการสอดคล้องกัน

ถาม: การประสานกันแบบตะกั่วจะเพิ่มความเสี่ยงการย้ายถิ่นของไอออนหรือไม่?
ตอบ: ทหารที่ปราศจากตะกั่ว (เช่น SAC305) สามารถปล่อยไอออนดีบุกได้มากกว่าการประสานตะกั่วภายใต้การปั่นจักรยานด้วยความร้อน แต่การทำความสะอาดที่เหมาะสมและการเคลือบผิวที่สอดคล้องกันช่วยลดความเสี่ยงนี้

บทสรุป
การย้ายถิ่นของไอออนเป็นภัยคุกคามที่เงียบ แต่สำคัญต่อความน่าเชื่อถือของ PCB ซึ่งขับเคลื่อนโดยการปนเปื้อนความชื้นและแรงดันไฟฟ้า ผลกระทบของมัน-จากการลัดวงจรไปจนถึงการลดลงของการลดลง-ทำให้เป็นข้อกังวลอันดับต้น ๆ สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่น่าเชื่อถือสูงในการใช้งานทางการแพทย์การบินและอวกาศและ 5G
การป้องกันการโยกย้ายไอออนต้องใช้วิธีการเชิงรุก: การทำความสะอาดอย่างเข้มงวดในระหว่างการผลิตการเลือกวัสดุอย่างระมัดระวังการควบคุมสิ่งแวดล้อมและกลยุทธ์การออกแบบที่ลดความเสี่ยง ด้วยการรวมมาตรการเหล่านี้เข้ากับการทดสอบการปนเปื้อนก่อน (IC, SIR) ผู้ผลิตสามารถมั่นใจได้ว่า PCBs ของพวกเขาทนต่อการทดสอบเวลา
ในการแข่งขันเพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เล็กลงเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นการป้องกันการย้ายถิ่นของไอออนไม่ได้เป็นในภายหลัง - เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของการออกแบบที่เชื่อถือได้
กุญแจสำคัญ: การย้ายถิ่นของไอออนเติบโตขึ้นจากการปนเปื้อนและความชื้น แต่ด้วยการทำความสะอาดอย่างเข้มงวดตัวเลือกวัสดุอัจฉริยะและการควบคุมสิ่งแวดล้อมสามารถป้องกันได้อย่างมีประสิทธิภาพทำให้มั่นใจได้ว่าประสิทธิภาพของ PCB ในระยะยาว