IPC CH-65B CHINESE.pdf - 第83页

7.4.1.1 路径形成漏电流随着金属物种在 PCB 表面或者 PCB 内层的迁移发生（见 Humidity Threshold V ariations for Dendrite Growth on Hybrid Substrates, A. der Madersosian, IPC-TP - 156 ; April, 1977 ）。漏电流降低了相邻导线间的表面绝缘。路径 …

定结构形成一个阴离子。当一个高正性金属与一

个高负性非金属结合，多余的电子就从金属原子

转移到非金属原子。这个反应产生的金属阳离子

和非金属阴离子之间相互吸引形成盐。

在钠的原子构成中有一价电子。

有一个电子在它

的外层能级处，钠失去一个电子留下钠离子，其

质子比电子多，结果钠带一个正电荷。（图7-5）

阴离子是原子或者原子团获得电子，由于带负电

的电子比带正电的质子多，所以它们带负电。卤

素（氯、溴、氟、碘）由于它们外核有7个电子所

以更容易形成最常见的离子。既然8个电子是更稳

定的价构，所

以卤素会获得额外的电子，其电子

比质子多一个所以形成一个带负电的电荷。

钠离子带一个多余的质子，氯离子带一个多余的

电子，在静电引力作用下形成氯化钠化合物（图

7-6）。离子残留是基于离子偶极引力和水以及离

子化合物的内部离子键合力而形成的。

一个离子

化合物形成一个键，水和离子化合物间的偶极力

必须大于离子内部键合。当离子化合物被潮气包

围时，水的双极子包围着离子晶体结构群。水的

偶极子负极吸引着离子的正极并且水的偶极子正

级吸引着离子的负极。如果这个引力强于内部离

子键合，则晶体内部离子键就会被破坏，然后和

水分子形成

水的化合物。

当内部离子键合与单层水化合后离子残留就会造成可靠性风险。一个经典的离子残留案例，如氯化

钠，水合物和溶解离子。在这个例子中，钠离子的正电荷吸引着水分子偶极的负电荷（OH-）。氯离

子中的负电荷吸引着水分子偶极的正电荷(H+)。每个离子被水分子以一个核形式包围。这个核将离

子彼

此隔开，使相反电荷的离子分开。

这些被水包围的离子分散在组装后的电路导线之间。当电路板通电后，这些金属以一种丝状像树枝

一样繁殖生长。电压偏离越强，丝状生长繁殖越快，随着时间推移，丝状生长就会桥接在导线上导

致电气短路。

7.4.1 电化学迁移（ECM）若干因素会影响ECM，包括温度、相对湿度、导线材料电压偏离

、导线

间距、污染类型、污染数量。

离子污染对腐蚀有重要影响。

有很多工艺条件可能在元器件表面或者下面的缝隙中留下组装后残留

物。多种污染源一般发生在元器件入库、焊接过程、焊锡助焊剂残留、清洗过程、敷形涂覆、操作

和包装。电化学迁移的敏感性、树枝状结晶形态和枝晶电阻是离子污染和偏压的函数。氯化物或者

其它离子水平增加会加速迁移过程。在高离子污染水平时，经历失效的可能性会增加。

ECM发生在三个阶段：路径的形成、初始化、树枝状生长。

ECM的产生需要电解质、电压偏离和金

属迁移同时存在。

通过导线上金属的溶解，金属离子通过电解液进行传输，金属沉积在一个相反偏

压的导体上发生初始化。电解液由被溶解的离子、溶剂（代表性溶剂为水）组成。因为电解液溶解污

染物和传输离子至少需要吸收三分子层水。

吸收二十分子层水能使电解液足够深去溶解和移动PCB

表面上的离子。

在板子上金属间的电压偏置作为金属丝迁移的驱动力。

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图7-5 钠原⼦和离⼦

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图7-6 氯原⼦和离⼦

IPC-CH-65B-C 2011年7月

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7.4.1.1 路径形成漏电流随着金属物种在PCB表面或者PCB内层的迁移发生（见Humidity Threshold

Variations for Dendrite Growth on Hybrid Substrates, A. der Madersosian, IPC-TP-156; April, 1977）。漏电

流降低了相邻导线间的表面绝缘。路径形成电极是从金属迹线（例如，铜、银、锡、铅等），板表面

处理和焊锡合金的迁移的金属离子构成的。

电解发生在当表面金属氧化和从阴极向阳极迁移时。当

金属树枝状生长时，表面绝缘降低。一旦枝状晶体跨越相邻导体间隙并且碰到阳极就可能产生短

路。电流流过枝状晶体由于焦耳热效应可以把部分枝状晶体烧坏。这种现象可以导致间歇性失效，

如果枝状晶体再生长且周期性发生熔化这种失效就能复发。漏电流能导致间歇性或者持久性失效

。

路径的形成开始于金属离子在电解液中的溶解。

腐蚀泄露是PCB材料的组成、板表面形貌、离子残

留、离子分布和环境条件的函数。表面多孔、划痕、凹坑会导致更高的表面能，也增加了它们吸收

了水单分子层的亲水性。表面污染，例如在板表面上的助焊剂残留或者纤维增加了吸潮的趋势。一

旦相邻导体之间的间隙有枝状晶体桥接，就会发生电阻突然下降，经常导致系统故障。

离子残留的特性经常能影响金属溶解的速度或者引发以及电解质的形成。氯和溴的残留可以和水结

合形成弱酸，弱酸更容易溶解金属，导致金属细丝形成。其它离子污染物，例如硝酸盐与水结合

后，会形成电解质溶液，但不会导致细丝的形成。这种情况下，会导致电气泄露电流随着湿度或者

有或者无，经常会导致有找不到问题（TF

）的电子失效模式产生。

若干个因素会影响ECM，包括温度、相对湿度、电压偏置、导体材料、导线间距、污染类型、污染

数量。

在PCB上的助焊剂残留既能抑制也能促进吸湿性，取决于残留的成分和厚度。

内部层压板的树枝状结晶通常沿着玻璃纤维束生

长，那里的树脂层压粘着力差，会导致有空洞。

空洞可以吸收水分并且为树枝状结晶的形成和产

生提供空间，经常从一个镀通孔或者导通孔到另

外一个。（图7-7中的空洞是沿着顶部的单一的玻璃

纤维）。

电化学迁移沿着板内部玻璃纤维束产生，可以更

恰当地称为阳极导电丝生长（CAF）。

表面枝状晶体往往是很脆弱的，经常在桌面上拍

或者敲打有缺陷PWB就能破坏枝状晶体并能恢复

PCB的功能。但在制造工艺中，这不是从源头解决

枝状晶体产生的办法。

7.4.1.2 初始化电解包含金属通过氧化在阳极变成阳离子溶解或者在阴极变成阴离子。

在直流偏压

下，金属阳离子迁移到阴极（离子传输过程）减少得到中性的金属，并沉积在阴极（电镀沉积）。当

越来越多的金属沉积在阴极，树枝状结构从阴极朝向阳极生长。

吸湿以及与维修相关的残留增加了形成水层的风险，这个水层也是使PCB表面污染扩散的催化剂。

在潮湿的条件下，组装的残留吸引水的单层，它使导电盐溶解并且穿过导体扩散。当残留进来与导

体接触，电流就能从阳极流到阴极从而在PCB两点间建立了一个电化学电池。

7.4.1.3 树枝状⽣长树枝状的生长是靠金属离子的反复沉积。

由于慢速溶解和沉积的运动，低电

势时需要更长时间生长。高电压使通过元器件的电流增加，这会导致发热和迁移运动的加速。随着

不同材料的组合呈现互联，热力学驱动树枝状晶体穿过金属生长的细丝。生长的树枝状晶体导致PCB

两点间的电气短路，从而引起元器件失效或者故障。

在高电势下，树突倾向变得更细，比在低电势下生长速率快很多，分枝更少。这种现象被认为是接

线端之间高电场作用的结果，这就导致随后在端子上的沉积在树突顶端而不是分枝。

图7-7 单⼀玻璃纤维中的空洞

2011年7月 IPC-CH-65B-C

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7.4.1.4 密度和间距在电化学迁移过程中，导线间距将影响离子的迁移和潜伏时间。

迁移发生在板

表面电解液层中的金属从阳极到阴极的运动过程中。当导线间距更大时，离子就需要更长的移动时

间，这样就会延长至失效的时间。大的间距也导致了离子之间更低的静电力，从而降低了离子迁移

的驱动力。小的间距增加了助焊剂残留或者表面污染充分桥接的可能性。大多数电极间隙能吸收潮

气，形成ECM需要的持续电解液媒介。高密度板的设计增

加了ECM的风险，必须通过选择适当的其

它设计和工艺来减轻风险。

电流密度是腐蚀率主要关注的。

电压和导线间距对ECM至失效的时间上发挥了重要的影响。施加的

电压是直接关系到离子迁移的动力。导体间距也影响离子迁移的动力，同时也决定了为了达到阴极

和形成树枝状结晶必须穿过的离子的距离。间距也影响路径的形成。在很多情况下它也能是ECM的

速率限制步骤。应用的更高电压和更小的间距使留在PCB表面的组装残留中成了更大的关注焦

点。

各种级别的微型化为组装残留在PCB两点间形成导电池打开了通道。

过去的10年（2000-2010）中，

电子零件尺寸已经减小超过了70%。对于细间距芯片IC等，导线间更近的间距使微型化程度达到90%。

越来越近的间距增加了电磁场（E= v/d，这里E是电磁场，V是电压，d是终端距离）。在离子污染和

潮湿情况下电磁场促进了腐蚀电池的形成。静电力是与离子放电和施加

的电压成正比。

在持续电压下，导体间电磁场上升与导体间距成反比，增加了潜在的失效可能性。电压偏压直接与加

在电磁场内放电金属离子上的力成正比。

加在放电粒子上的力可能会影响离子穿过电解液的时间。

由于线电压不减少，这些因素比以前的成熟技术对高电磁场有更重要的影响。

问题是当前的印制电路板的导线间距趋势小到48μm（1.92mil）。

一般的电压能接近5V，产生一个电

磁场接近2.5V/mil。这个接近1.5倍最大电磁场测试值。当电磁场从0.4 V/mil 增加到1.6 V/mil时，树

枝状结晶物的出现几率就增加了。从根本上说，这可能是由于加在带电粒子上的力与电磁场成正

比。当电磁场增加时，金属离子上的力也增加。

Bumiller等人（2010）报道的树枝状生长ECM数据研究结果，涵盖了板子上所有污染水平范围，包括

0μg/in

氯离子。在低氯离子污染水平（“0”和2μg/in

）时，6.25mil梳形结构间距处发现有树枝状生

长，在12.5mil梳形结构间距处少见树枝状生长，在25mil梳形间距处也罕见。在5μg/in

到20μg/in

氯离

子中，在6.25mil和12.5mil梳形结构间距处都发现了树枝状生长。在50μg/in

氯离子中，6.25mil、12.5

mil和25mil梳形间距的树枝状生长几乎没有差异。

根据上述结论，在低于之前考虑的污染水平下，2.5V/mil的电场将会出现ECM的问题。

污染水平为

“0”μg/in

的板，污染物含量低于现行推荐的溴污染物标准，在一个1.6V/mil的电场强度中显示出了

ECM。众所周知，氯比溴更活跃，随着间距不断地减小，清洁度要求必须更加严格。

由于电磁场的

影响，随着间距的减小，对于给定的污染水平，ECM的可能性将增加。

7.4.1.5 卤化物离⼦卤化物离子在金属离子的溶解时作为催化剂，氯离子具有最强的效果。

产生

腐蚀必须的最低标准是不确定的，有几个资料推荐用氯离子从2μg/in

到10μg/in

的污染限制范围（尚

无标准）来标明。溴离子也被认为是有问题的，但也曾被报道的一个推荐的限制范围是从15μg/in

到

20μg/in

。

溶液中氯离子的存在很容易溶解金属离子，为迁移所必需。许多场合的失效都显示了在元器件上氯

化物污染迹象。这些在PCB上的污染来自于含卤素助焊剂的使用、人员的操作或者维修环境。由于

结合效果，材料组成、电极层表面形态和组装清洁在控制迁移方面扮演重要的角色。

在较低的污染水平下，少量金属被溶解。由于金属离子水平少，金属离子上的力被电磁场驱动。电

磁场矢

量有一个朝向导体表面上任意变形的方向。表面混乱和其它缺陷能引起局部集中的电磁场。

在缺陷区域的电磁场会更高，驱使金属离子到这个缺陷处并形成树枝状生长。

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