尘土污染对电路板表面湿度的影响

周怡琳韦霞霞

（北京邮电大学自动化学院北京100876）

尘土污染对电路板表面湿度的影响

周怡琳韦霞霞

（北京邮电大学自动化学院北京100876）

以尘土颗粒中具有代表性的可溶性盐和不可溶颗粒覆盖标准梳状电路板进行温湿偏置实验，通过线间绝缘电阻监测，研究可溶性盐颗粒的成分及溶解度对电路板表面临界相对湿度的影响以及不可溶颗粒在毛细管作用下改变电路板表面水分脱附从而影响其表面湿度的机理，并进一步探讨了颗粒污染造成电路板表面电化学迁移的失效机理。

尘土颗粒电路板盐的溶解性临界相对湿度温湿偏置实验

3　引言

目前电子产品向着小型化、轻型化、低功耗、多功能及高可靠性方向迅速发展［1，2］。作为电子产品中的主要部件，印制电路板也向高密度化、精细线宽与间距的方向发展，其线间距趋于0.32 mm，甚至更小［3，4］。间距的微细化影响了电路板线间的绝缘性能［5，6］。尘土污染导致电子设备发生故障甚至失效的现象逐渐引起人们的关注［7］。大量的失效分析数据表明尘土对电子、通信设备的可靠性危害很大［8，9］。图1中，电源、连接器、电路板等在使用过程中被长期沉积的尘土腐蚀损坏。失效手机内部存在大量的尘土颗粒和纤维，引发电路板上的镀金线路腐蚀，进入触点界面的尘土还造成触点的磨损和微动腐蚀［10-12］。高湿环境下尘土颗粒中的吸水性盐可形成电解液，或在两导体之间形成漏电流，造成电路板失效，甚至会直接威胁整个通信系统的可靠性寿命［13-15］。

分析北京室内自然沉积尘土，发现尘土中无机物约占70%，其余为有机物和炭黑。无机物包含石英、长石、云母、方解石等20余种物质。在尺寸大于25μm的粗大颗粒中，以石英和长石为主；而小于10μm的细颗粒中，富集方解石、石膏及云母等粘土矿物［16］。约4%的无机物为可溶性盐类，主要的阳离子和阴离子分别为K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-、 F-、有机物的主要成分是近20种的烷烃（C7～C40+）和两种邻苯二羧酸酯［17］。

图1　尘土污染的电子设备Fig.1 Electronic equipment contaminated by dust

文献［18］采用喷洒盐溶液的形式，对不同吸湿性盐覆盖下电路板随环境相对湿度的变化情况进行温湿实验。研究发现，电路板的表面绝缘电阻值随环境湿度的增加而降低，且降低速率并不相同，这是由于可溶性盐吸水性能存在差异导致的。文献［19］主要研究了室外自然尘土在20～60℃的温度范围和50%～95%的湿度范围内对电路板绝缘阻抗的影响机理，发现温湿度越高，阻抗减小得越快，阻值从109Ω降到104Ω。但并未就自然尘土对电路板湿度的影响进行相关研究。

印制电路板向微小化及精细化的高密度板发展，导线间距的减小会降低印制电路板的绝缘可靠性，而沉积在电路板表面的尘土会加剧这一影响。尘土中的可溶性盐类吸收水汽形成具有自由离子的水膜，在电场力作用下自由离子定向移动形成导电路径，破坏两绝缘导体间的绝缘性能。而不可溶物质为水分提供存储空间，延缓水分脱附，影响表面绝缘特性。可溶性盐和不可溶物质在电路板上的沉积都会影响电路板的表面湿度，而湿度是影响电化学迁移产生的主要因素之一。电化学迁移是电场作用下阳极金属离子化，在表面吸附的水膜中发生迁移，最后在阴极得电子形成导电的枝杈状金属沉积物，破坏线间绝缘性能的过程［20］。目前，人们对尘土颗粒沉积下高密度电路板表面湿度变化的相关研究并不充分。本文是基于尘土成分分析的基础上，选择具有代表性的可溶性盐和不可溶颗粒覆盖标准梳状电路板，进行温湿偏置实验，通过监测线间绝缘电阻，研究了尘土颗粒对电路板表面湿度的影响及其绝缘失效机理。

3　实验方法

参考IPC-TM-650 2.6.14.1《电化学迁移电阻测试标准》［21］设定电路板温湿偏置实验模拟实际使用的环境条件。通过电路板线间绝缘电阻监测评估不同颗粒对电路板表面湿度的影响。

1.1实验样品

参照IPC-B-25A标准设计梳状电路板，平行导线的基底材料为铜，镀层表面材料为化学镀银层。电路板上梳状结构的导线宽度和间距相等，均为0.32 mm，如图2所示。

图2　标准梳状电路板样品Fig.2 Test sample of comb pattern PCB

1.2尘土颗粒成分选择

尘土中可溶性盐对高密度印制电路板绝缘电阻影响的显著性很大程度上取决于可溶性盐吸收水分的能力。相同质量的盐，溶解度越高，临界湿度越低，其吸收水分的能力越强。根据尘土颗粒的离子组成分析，选择不同溶解度的几种代表性盐，其溶解度由大到小的顺序排列，即CaCl2，NaCl，Na2SO4，CaSO4。表1列举了不同温度下4种可溶性盐的溶解度。

表3　不同温度下可溶性盐的溶解度［22］Tab.1 Solubility of soluble salts under different temperatures［22］

选取含量较多的石英和云母颗粒为代表，研究尘土中不可溶颗粒对电路板表面湿度的影响。在大气中暴露100 d后，遮挡板的卡式盘上的尘土颗粒分布主要集中在10～30μm［23］，故本文主要针对30μm的颗粒进行研究。

为了更加接近自然积尘的真实情况，采用沉降法［18］进行表面积尘，并控制电路板表面沉积相同重量的尘土颗粒。

1.3温湿偏置实验设置

当电路板表面覆盖可溶性盐时，会造成在较低环境湿度情况下就使电路板表面绝缘电阻降低的现象，而对于在电路板表面覆盖不可溶颗粒时，吸附在电路板表面的水分会在环境湿度降低时被延缓脱附。采用温湿偏置实验可评估电路板线间由于湿度变化而引起的绝缘电阻降低的程度，实验中为电路板提供12 V的直流偏置电压［19］。

图3a为研究可溶性盐颗粒影响电路板表面湿度的实验条件曲线。在恒温25℃情况下，相对湿度以10%/h的速率从45%增加到85%，最后升高到90%，每一湿度梯度保持3 h。图3b为研究不可溶颗粒影响的实验条件曲线。在恒温85℃时，93%相对湿度的初始状态维持12 h，让电路板在高温高湿状态下充分吸收水分，而后仍保持恒温85℃，相对湿度值经过1 h降低至85%。此后相对湿度以10%/h的速率递减至45%，每个湿度梯度保持3 h。

图3　温湿偏置实验的条件曲线Fig.3 Temperature humidity bias test curves

印制电路板的临界相对湿度定义为电路板表面首次绝缘失效发生时对应的环境相对湿度值。根据J-STD-004［24］和IPC-9201［25］标准取电阻值第一次下降到108Ω数量级以下为绝缘失效标准，对应的湿度为电路板的临界相对湿度。

1.4实验系统

采用多路表面绝缘电阻测试系统研究颗粒对电路板表面湿度的影响，图4为系统框图。该系统可在线采集表面绝缘电阻数据、实时存储数据和进行多路切换。测试系统中每一路均连接一个1 MΩ的保护电阻，使用皮安计（Keithley 6487型）进行表面绝缘电阻测量，测量周期为40 s。

图4　多路绝缘电阻测试系统框图Fig.4 Diagram ofmultiple channels insulation resistance test system

3　实验结果的分析与讨论

2.1可溶性盐覆盖下电路板表面湿度变化特性

本实验采用沉降法模拟可溶性盐颗粒在电路板上的沉积，其中大部分颗粒分布均匀，如图5a～图5d所示，但也存在少数颗粒成团聚集分布的现象，如图5e中CaSO4的分布。

图5　可溶性盐颗粒在梳状电路板上的分布情况Fig.5 Distribution of soluble salt particles on comb PCB

电路板表面绝缘电阻值随环境相对湿度的变化情况如图6所示。电路板表面绝缘电阻值随相对湿度的升高而降低，不同的可溶性盐颗粒覆盖下电路板表面绝缘电阻值降低的趋势和程度不同。没有颗粒对照组的绝缘电阻值在45%～85%的相对湿度范围内基本保持在1010Ω及以上，而相对湿度由85%上升至90%的过程中，表面绝缘电阻明显降低，减小至108Ω，电路板的临界湿度值大于90%。与无颗粒对照组相比，可溶性盐颗粒覆盖下的电路板表面绝缘电阻随相对湿度的升高而明显降低。NaCl、Na2SO4、CaSO4覆盖下电路板的临界相对湿度值分别为65%、72%、75%。而CaCl2覆盖下电路板的临界相对湿度值小于45%，其绝缘电阻值维持在10 kΩ。

图6　可溶性盐颗粒覆盖下梳状电路板表面绝缘电阻随相对湿度的变化曲线（恒温25℃）Fig.6 Insulation resistance curves of comb pattern PCB covered by soluble salt particles（at25℃）

可溶性盐的溶解度影响着电路板表面的临界湿度。一定温度下，环境相对湿度越大，空气中水汽含量也相应越多。当化合物饱和溶液的蒸汽压低于同温度下空气中的水蒸气的分压，会使该化合物不断吸收水分而潮解。某一温度下该化合物的溶解度越大，其潮解的能力也越强，其所覆盖电路板的临界相对湿度也越小。

在20℃下无水氯化钙（CaCl2）的相对湿度值为34%，在一般的室内环境下极易发生潮解。均匀覆盖在电路板上的CaCl2在室温环境中发生潮解，形成水合物CaCl2·6H2O液滴，液滴与液滴连接后导通两相邻导线，发生绝缘失效。图6中CaCl2覆盖的电路板的绝缘值维持在104Ω。NaCl、Na2SO4、CaSO4颗粒主要是吸收空气中的水分发生溶解，溶解度越高，吸收水分能力越强。

2.2可溶性盐覆盖下电路板绝缘失效的机理

实验中可溶性盐颗粒易吸收水分在电路板表面形成含导电离子的水膜，在电场作用下盐离子的自由移动形成离子性导电，造成绝缘电阻降低。在有偏置电场存在的条件下，同时会激发相邻线路间的电化学迁移现象。

温湿偏置实验后梳状电路板的微观形貌如图7所示。部分电路板梳状线路之间形成了黑色的晶枝，证明发生了电化学迁移现象。电化学迁移中阴极和阳极发生的化学反应是：

1）在阳极发生了水的电离和基底材料Cu和表面材料Ag的电解。

2）在阴极上，H+得电子析出H2。Cu2+和Ag+得电子还原为金属。

图7　电路板导线间由电化学迁移生成的晶枝Fig.7 Dendrites generated by electrochemicalmigration between circuits on PCB

后续的金属离子在沉积的金属上得电子还原，逐步累积形成晶枝，直至两平行导线之间发生短路，绝缘电阻陡降，此时细窄的晶枝通过较大电流，将晶枝击穿后又恢复绝缘状态，直至下一次电化学迁移的发生。正如图6中对照组电路板的表面绝缘电阻有短时间突然降低又再恢复的毛刺现象。

2.3不可溶颗粒覆盖下电路板表面相对湿度的变化

石英和云母在梳状电路板上的分布情况如图8所示。其中，石英颗粒有轻微的聚团分布，而片状的云母颗粒分布均匀。

图8　不可溶颗粒在电路板上的分布情况Fig.8 Distribution of insoluble particles on comb pattern PCB

不可溶颗粒对电路板表面湿度影响的研究实验主要包括高温高湿和高温降湿两个阶段，其表面绝缘电阻在高温降湿条件下的变化趋势如图9所示。

图9　不可溶性盐颗粒覆盖下电路板表面绝缘电阻随相对湿度变化曲线（恒温85℃）Fig.9 Insulation resistance curves of comb pattern PCB covered by insoluble particles（at85℃）

高温高湿（85℃，93%）阶段，电路板绝缘阻值相对稳定，表面绝缘电阻的陡降现象较多。对照组的表面绝缘电阻（108Ω）比石英、云母覆盖的电路板（106Ω）高两个数量级，且发生波动的频率较小。高温降湿的阶段，环境中的水分减少，绝缘电阻升高。因此，取绝缘电阻值的倒数表征电路板表面含水程度，并以对照组为比较基准，在恒温85℃时，相对温度93%阶段，对照组、石英覆盖的电路板以及云母覆盖的电路板三者含水程度之比为1∶45∶2 746，说明存在云母的电路板含水量最多，其次是石英覆盖下的电路板，对照组样品含水量最少。而相对湿度降为45%后，三者的含水程度之比为1∶4∶884，说明降湿过程中电路板的水分发生脱附，使得绝缘电阻值增大，对照组含水量最少即水分脱附明显，石英和云母覆盖下的电路板水分脱附慢。片状云母覆盖的电路板水分脱附速度比石英的更慢。

不可溶性颗粒覆盖下电路板对空气中水分的吸附脱附能力影响了电路板表面湿度。当不可溶性颗粒覆盖在电路板表面时，颗粒与电路板之间形成细微缝隙在水分浸润情况下沿缝隙上升或渗入。当湿度降低时，不可溶性颗粒在毛细管力的作用下减缓了水分的脱附，延长了水分在板上的滞留时间，降低了电路板表面绝缘电阻的上升速率。

相同颗粒度和质量分布密度的情况下，片状云母颗粒比重小，总颗粒数量比石英的多，吸附水分更多，导致电路板绝缘电阻值比石英覆盖的电路板更低。颗粒吸附水分与颗粒度、颗粒数量以及颗粒形貌均有关。

降湿阶段，以电路板表面水分脱附为主，电路板表面绝缘电阻增大。根据前面使用的含水量比值说明石英、云母延缓了电路板水分的脱附，片状云母颗粒的延缓作用最明显，其覆盖下的电路板绝缘电阻并没有明显上升。

2.4不可溶性颗粒导致电路板绝缘失效的机理

电阻曲线中阻值出现间歇性陡降现象的原因是电路板两导线间发生了电化学迁移现象，生成的晶枝导通了相邻的绝缘导体致使短路，表面绝缘电阻发生陡降。当短路产生的大电流足以将晶枝烧毁时，两导线将恢复绝缘状态，绝缘电阻值回升，直到下一次电化学迁移现象的产生。形成的晶枝如图10所示。当电路板表面颗粒覆盖引起水分吸附后，一旦在电路板表面形成连续性水膜，即形成了电化学迁移的必要湿度条件，颗粒吸附水分的能力取决于颗粒度、颗粒数量及其分布。能否发生电化学迁移还与导线线间距以及电场强度有关。

图10　电路板导线间由电化学迁移生成的晶枝Fig.10 Dendrites generated by electrochemicalmigration between circuits on PCB

3　结论

使用梳状电路板，采用不同溶解度的可溶性盐和不可溶的石英、云母颗粒覆盖下温湿偏置实验的方法来研究尘土颗粒对电路板表面相对湿度值的影响及其发生绝缘失效的机理。发现随着可溶性盐溶解度的增大，电路板临界湿度降低，更易引起电路板表面绝缘电阻下降。离子导电和电化学迁移的共同作用导致电路板的绝缘失效。不可溶性颗粒（石英、云母）通过毛细管作用为电路板吸附水分提供存储空间，并减缓水分的脱附。而等颗粒度等重量的片状云母颗粒数量多，高温阶段吸收水分多，而在降湿阶段对水分脱附的延缓作用比颗粒状的石英明显。同时，水分脱附的延长给电化学迁移提供了一定的湿度条件，使电化学迁移更易发生。但实际使用中，尘土颗粒的颗粒度、沉积分布密度等因素并不相同，与环境温湿度变化的交互作用更为复杂，值得进行更深入的研究。

［1］Prasad Ray P.Surface Mount Technology，Principles and Practice［M］.New York：Van Nostrand Reinhold，1989：1-12.

［2］田民波.电子封装工程［M］.1版.北京：清华大学出版社，2003.

［3］周怡琳，Michael Pecht.浸银电路板蔓延腐蚀评估方法［J］.电工技术学报，2011，26（2）：44-49.

Zhou Yilin，Michael Pecht.Assessmentmethodology of creep corrosion on circuit boards immersed with silver［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26（2）：44-49.

［4］Sheng Zhan，Azarian M H，Pecht M.Reliability of printed circuit boards processed using no-clean flux technology in temperature-humidity-bias conditions［J］. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，2008，8（2）：426-434.

［5］Burnett W H，Sandroff F S，D'Edigo S M.Circuit failure due to fine mode particulate air pollution［C］. The 18th International Symposium for Testing and Failure Analysis，Los Angeles，California，USA，1992：329-333.

［6］贾京，冯士维，邓兵，等.基于热阻测量的PCB散热特性［J］.电工技术学报，2014，29（9）：239-244.

Jia Jing，Feng Shiwei，Deng Bing，et al.The radiating characteristics of PCB based on the thermal resistance measurement［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（9）：239-244.

［7］Brox B，Tegehall PE.Reliability of electronics in harsh environments［J］.Soldering&Surface Mount Technology，1995，7（3）：13-16.

［8］周怡琳，王鹏，葛世超，等.长期贮存航天电连接器尘土污染的研究［J］.电工技术学报，2014，29（7）：269-276.

Zhou Yilin，Wang Peng，Ge Shichao，et al. Investigation on dust contamination of aerospace electrical connectors after long-term storage［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（7）：269-276.

［9］Liang Y N，Zhang J G，Liu J J.Identification of inorganic compounds in dust collected in Beijing and their effects on electric contacts［C］.Proceedings of the Forty-Third IEEE Holm Conference on Electrical Contacts，Philadelphia，PA，USA，1997：315-327.

［10］周怡琳.手机中电触点的失效分析［J］.北京邮电大学学报，2006，29（1）：69-72.

Zhou Yilin.Analysis of the failure electrical contacts in phone's internal part［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2006，29（1）：69-72.

［11］Lv Yang，Xu Liangjun.Stress analysis of dust particle on the electrical contact surface［C］.2011 IEEE 57th Holm Conference on Electrical Contacts（Holm），Minneapolis，MN，2011：290-297.

［12］Lin Xueyan，Zhang Jigao.Dust corrosion［C］. Proceedings of the 50th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts and the 22nd International Conference on Electrical Contacts，Seattle，WA，USA，2004：255-262.

［13］张恺伦，江全元.基于攻击树模型的WAMS通信系统脆弱性评估［J］.电力系统保护与控制，2013，41（7）：116-122.

Zhang Kailun，Jiang Quanyuan.Vulnerability assessment on WAMS communication system based on attack tree model［J］.Power System Protection and Control，2013，41（7）：116-122.

［14］王鹏程.刀闸辅助触点状态出错对母差保护的影响［J］.电力系统保护与控制，2010，38（5）：124-126.

Wang Pengcheng.Discussion on the Influences of disconnector auxiliary contact status error on bus differential protection［J］.Power System Protection and Control， 2010，38（5）：124-126.

［15］叶建光.交流接触器不宜作异步电动机缺相保护元件［J］.电力系统保护与控制，2009，37（19）：141-142.

Ye Jianguang.Using AC connector for motor's phase break protection is improper［J］.Power System Protection and Control，2009，37（19）：14l-142.

［16］Wan JW，Gao J C，Lin X Y，et al.Water-soluble salts in dust and their effects on electric contact surfaces［C］.Proceedings of the International Conference on Electrical Contacts，Electromechanical Components and Their Applications，Nagoya，Japan，1999：37-42.

［17］Zhang JG，Liang Y N，Wan JW，et al.Analysis of organic compounds in airborne dust collected in Beijing［C］.Proceedings of the Forty-Fourth IEEE Holm Conference on Electrical Contacts，Arlington，VA，USA，1998：166-171.

［18］Sandroff F S，BurnettW H.Reliability qualification test for circuit boards exposed to airborne hygroscopic dust［C］.42nd Electronic Components and Technology Conference，San Diego，CA，USA，1992：384-389.

［19］Song B，Azarian M H，Pecht M G.Effect of temperature and relative humidity on the impedance degradation of dust-contaminated electronics［J］.Journal of the Electrochemical Society，2013，160（3）：C97-C105.

［20］Zhou Yilin，Yang Pan，Yuan Chengming，et al. Electrochemicalmigration failure of the copper trace on printed circuit board driven by immersion silver finish［J］.Chemical Engineering Transaction，2013，33：559-564.

［21］IPC-TM-650 2.6.14.1∶2 000，Electrochemicalmigration resistance test［S］.

［22］刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册（无机卷）［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［23］Watanabe T，Saito K，Seo K.Study of error propagation due to dust for thin-cover coat disk systems［C］.International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage Topical Meeting，Hawaii，USA，2002：126-128.

［24］IPC J-STD-004B-2011，Requirements for Soldering Fluxes［S］.

［25］IPC Publication IPC-9201，Surface Insulation Resistance Handbook［S］.

Effects of Dust Contam ination on Surface Relative Hum idity of Printed Circuit Board

Zhou Yilin Wei Xiaxia
（Automation School Beijing University of Posts and Telecommunications Beijing 100876 China）

In this paper，to study the effect of soluble and insoluble particles of typical dust on the relative humidity on PCB surface，the comb pattern PCB covered by particles is adopted as test samples under temperature humidity bias（THB）conditions.The surface insulation resistance between circuits on PCB is monitored.The effect of compositions and solubility of soluble particles on the critical relative humidity is investigated.The reasons of the insoluble particles，under the action of capillary，changing the desorption of water from PCB surface and keeping high humidity on PCB surface for longer time are researched.The electrochemicalmigration mechanism of PCB caused by dust contamination is also discussed.

Dust particles，printed circuit board，solubility of slats，critical relative humidity，temperature humidity bias experiment

TM207

周怡琳女，1972年生，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电接触理论和应用。（通信作者）

2015-03-31改稿日期2015-10-10

韦霞霞女，1990年生，硕士研究生，研究方向为可靠性检测技术。