مهاجرت یون در بردهای مدار چاپی: تهدیداتی برای قابلیت اطمینان و کنترل پیشرفته آلودگی

در مدارهای پیچیده PCB های مدرن، جایی که فاصله ردیابی می تواند به اندازه 2 × 3 میلی باشد، حتی سطوح میکروسکوپی آلودگی می تواند شکست های فاجعه بار را ایجاد کند. Ion migration—a silent electrochemical process where metal ions migrate across insulation surfaces under the influence of moisture and electric fields—ranks among the most insidious threats to PCB reliabilityاین پدیده نه تنها باعث خرابی های متناوب می شود، بلکه می تواند منجر به خاموش شدن کامل دستگاه ها در برنامه های حیاتی مانند مانیتورهای پزشکی، سیستم های هوافضا و ایستگاه های پایه 5G شود.درک چگونگی مهاجرت یون، تاثیر آن بر عملکرد PCB و آخرین استراتژی های کنترل آلودگی برای مهندسان و تولید کنندگان با هدف ساخت الکترونیک با دوام طولانی و قابلیت اطمینان بالا ضروری است.

مهاجرت یون چیست و چگونه رخ می دهد؟
مهاجرت یون حرکت یون های فلزی شارژ شده (معمولاً مس، نقره یا قلع) از طریق یا در سراسر سطح مواد عایق PCB (ماسک سولدر، بستر) در شرایط خاص است.این فرآیند به سه عامل کلیدی نیاز دارد تا اتفاق بیفتد:
1آلودگی یونیک: بقایای تولید (فلوکس، اکشن، روغن های کار) ، آلاینده های زیست محیطی ( گرد و غبار، رطوبت) یا محصولات جانبی عملیاتی (تخلیه،از جمله آن هایی که به یون ها حل می شوند (.g، Cu2+، Ag+).
2رطوبت: آب (از رطوبت، تهویه یا قرار گرفتن در معرض مستقیم) به عنوان یک رسانا عمل می کند و اجازه می دهد یون ها حرکت کنند. حتی رطوبت نسبی (RH) 60٪ برای امکان مهاجرت در PCB های آلوده کافی است.
3میدان الکتریکی: تفاوت ولتاژ بین ردیف های مجاور، نیروی محرک ایجاد می کند که یون ها را از آنود (جانب مثبت) به سمت کاتود (جانب منفی) می کشد.
با گذشت زمان، این حرکت منجر به تشکیل رشته های فلزی نازک مانند درخت می شود که شکاف بین ردها را از هم جدا می کند. هنگامی که یک سندریت دو هادی را به هم متصل می کند، باعث شارژ می شود.حتي قبل از اينکه تمامي پل ها رو ببنديم، رشد جزئی دندریت می تواند جریان نشت را افزایش دهد، یکپارچگی سیگنال را کاهش دهد یا باعث شکست متناوب شود.

تاثیر مهاجرت یون بر روی قابلیت اطمینان PCB
پیامدهای مهاجرت یون ها با توجه به کاربرد متفاوت است اما اغلب منجر به خرابی های گران قیمت و گاهی خطرناک می شود.
1مدار کوتاه و شکست های فاجعه بار
تشکیل دندریت خطر اصلی است.
a.یک PCB ایستگاه پایه 5G با فاصله ردیابی 3 میلی میتر می تواند در عرض 6 ماه در رطوبت بالا (85% RH) و انحراف 30V یک دندریت رسانا ایجاد کند.که باعث کوتاه شدن تمام ماژول رادیویی می شه.
b. پمپ های تزریقی پزشکی با PCB های آلوده دچار اختلالات ناشی از دندریت شده اند که منجر به تحویل نادرست دوز می شود.

2. انحطاط صداقت سیگنال
حتی مهاجرت جزئی یون باعث افزایش جریان نشت بین ردیف ها می شود، که سیگنال های فرکانس بالا (10+ گیگاهرتز) را در دستگاه های 5G، رادار و اینترنت اشیا مختل می کند. به عنوان مثال:
a. جریان نشت بالاتر از 100nA می تواند باعث بازتاب سیگنال و تضعیف در PCB های 5G 28GHz شود و سرعت انتقال داده را 30٪+ کاهش دهد.
ب.در مدارهای آنالوگ دقیق (به عنوان مثال، مانیتورهای EKG) ، سر و صدا ناشی از مهاجرت یون می تواند سیگنال های ولتاژ پایین (≤1mV) را خراب کند و منجر به خواندن نادرست شود.

3مدت عمر کوتاه و نگهداری بیشتر
PCB ها با آسیب مهاجرت یون اغلب نیاز به تعویض زودرس دارند. یک مطالعه توسط IPC نشان داد که مهاجرت یون طول عمر PCB ها را در محیط های مرطوب (به عنوان مثال مناطق ساحلی،تاسیسات صنعتی با رطوبت بالا)برای سیستم های هوافضا، این به افزایش هزینه های تعمیر و نگهداری منجر می شود تا 100،000 دلار در هر جایگزینی برای PCB های سرگرمی در پرواز یا ناوبری.

منابع اصلی آلودگی یون
برای جلوگیری از مهاجرت یون، شناسایی و از بین بردن منابع آلودگی بسیار مهم است. شایع ترین مقصر شامل:

1باقیماندهای تولید
بقایای جریان: جریان های مبتنی بر رزین یا غیر تمیز اگر به درستی تمیز نشوند، بقایای یونیک (هالید، اسید های آلی) را ترک می کنند. جریان های غیر تمیز، اگرچه راحت است، می توانند در طول زمان جمع شوند،به خصوص در محیط های رطوبت بالا.
مواد شیمیایی حکاکی و پوشش: کلرید از حکاکی (به عنوان مثال کلرید مس) یا سولفات از حمام های پوشش که کاملاً شستشو نشده اند می توانند در سطح PCB باقی بمانند.
روغن های دستکاری: اثر انگشت حاوی نمک (سدیم، پتاسیم) و اسیدهای چرب است که در رطوبت حل می شوند و مسیرهای یونی را ایجاد می کنند.

2آلاینده های محیطی
رطوبت و آب: RH بالا (> 60٪) یک کاتالیزور است، اما آب مایع (به عنوان مثال از تهویه در محفظه های بیرونی) حرکت یون را تسریع می کند.
آلاینده های صنعتی: کارخانه ها، پالایشگاه ها و مناطق ساحلی PCB ها را در معرض دی اکسید گوگرد، اسپری نمک (NaCl) یا آمونیاک قرار می دهند که همه آنها یون های خوردنی را تشکیل می دهند.
گرد و غبار و ذرات: گرد و غبار هوا اغلب حاوی مواد معدنی (کلسیم، منیزیم) است که در رطوبت حل می شود و غلظت یون را افزایش می دهد.

3. خرابی و فرسایش عملیاتی
تخریب مفاصل جوش: جوش های قدیمی جوش آيون های قلع و سرب را آزاد می کنند، به ویژه تحت چرخه حرارتی (-55 °C تا 125 °C).
خوردگی: ردیابی های مس یا اجزای سرب در محیط های مرطوب و آلوده خوردگی می کنند و یون های Cu2 + را آزاد می کنند که مهاجرت را تقویت می کنند.

آزمایش آلودگی یونیک: تشخیص زودهنگام هزینه ها را کاهش می دهد
تشخیص زودهنگام آلودگی یون برای جلوگیری از مهاجرت یون بسیار مهم است. آزمایشات استاندارد صنعت میزان آلودگی را قبل از استفاده از PCB اندازه گیری می کند:
1کروماتوگرافی یون (IC)
استاندارد طلایی برای کمی کردن آلاینده های یونیک، IC باقی مانده ها را از سطح PCB با استفاده از آب DI استخراج می کند، سپس محلول را برای یون های خاص (کلورید، سولفات، سدیم) تجزیه و تحلیل می کند.
روش: PCB ها برای یک ساعت در آب گرم DI (75 °C) غوطه ور می شوند تا آلاینده ها را حل کنند. استخراج به یک کروماتوگراف یون تزریق می شود که یون ها را شناسایی و کمیت می کند.
معیارهای پذیرش: IPC-TM-650 2.3.28 حداکثر 1.56μg/cm2 (معادل NaCl) را برای PCB های با قابلیت اطمینان بالا (طبقه 3) مشخص می کند.

2آزمایش رسانایی (ROSE Test)
یک جایگزین سریع تر و ارزان تر، آزمایش مقاومت عصاره حلال (ROSE) ، رسانایی محلول عصاره را اندازه گیری می کند. رسانایی بالاتر نشان دهنده آلودگی یونی بیشتر است.
روش: مشابه IC، اما رسانایی استخراج (در μS / cm) به جای یون های خاص اندازه گیری می شود.
محدودیت ها: انواع یون را شناسایی نمی کند، اما یک نتیجه سریع / شکست را فراهم می کند.
معیارهای پذیرش: ≤1.5μS/cm برای PCB های کلاس 3.

3تست مقاومت عایق بندی سطح (SIR)
تست SIR ارزیابی می کند که یک PCB در شرایط عملیاتی در برابر مهاجرت یون مقاومت می کند. این مستقیم ترین راه برای پیش بینی قابلیت اطمینان طولانی مدت است.
تنظیمات: PCB ها با الگوهای آزمایش (ساختارهای شوره با فاصله 2 ٪ 5 میلی متر) در معرض رطوبت بالا (85٪ RH) و انحراف ولتاژ (50 ٪ 100V) برای 1000 ساعت بیشتر قرار می گیرند.
اندازه گیری: مقاومت عایق بندی بین ردیف ها نظارت می شود؛ کاهش کمتر از 108Ω نشان دهنده خطر مهاجرت یون قابل توجهی است.
برای: PCB های هوافضا، پزشکی و خودرو که در آن شکست گران است.

استراتژی های کنترل آلودگی: جلوگیری از مهاجرت یون
کنترل موثر آلودگی نیاز به یک رویکرد چند لایه ای دارد که ترکیب بهترین شیوه های تولید، انتخاب مواد و حفاظت از محیط زیست است.
1پاکسازی دقیق در طول تولید
تمیز کردن پس از جریان: برای PCB های با قابلیت اطمینان بالا، از تمیز کردن آبی (با آب دیونیزه شده و مواد شوینده ملایم) یا تمیز کردن فوق صوتی برای حذف بقایای جریان استفاده کنید.اجتناب از تکیه کردن فقط بر جریان های "غیر تمیز" برای کاربردهای مرطوب یا حیاتی.
شستشوی مناسب: پس از حک کردن، پوشش دادن یا جوشاندن، از شستشوی های چند مرحله ای DI با آب (خالصیت 18 MΩ-cm) برای از بین بردن بقایای شیمیایی استفاده کنید.شستشوی نهایی باید حاوی <5ppm کل مواد جامد محلول شده (TDS) باشد..
دستکاری اتاق تمیز: PCB ها را در ISO 8 یا اتاق های تمیز بهتر پردازش کنید تا آلودگی گرد و غبار و اثر انگشت را به حداقل برساند. استفاده از دستکش را اعمال کنید (نیترل ، نه لاتکس ، که ذرات را از بین می برد).

2انتخاب مواد برای مقاومت در برابر آلودگی
ماسک جوش: ماسک های جوش با عملکرد بالا با جذب آب کم (<0.1٪) و مقاومت شیمیایی (به عنوان مثال ماسک های مبتنی بر اپوکسی مانند Taiyo PSR-4000) را انتخاب کنید.این مقاومت به نفوذ رطوبت و جلوگیری از مهاجرت یون از طریق ماسک.
زیربناها: زیربناهای FR-4 یا PTFE با Tg بالا (برای طرح های فرکانس بالا) مقاومت نسبت به رطوبت بهتر از FR-4 استاندارد دارند و مسیرهای حمل یون را کاهش می دهند.
پوشش های سازگار: برای PCB ها در محیط های خشن، یک پوشش سازگار (سیلیکون، آکریلیک یا پاریلن) را برای مهر و موم سطح، مسدود کردن رطوبت و آلاینده ها اعمال کنید.با پوشش بدون سوراخ سوزن، به خصوص برای دستگاه های پزشکی موثر است.

3کنترل محیط زیست در عملیات
مدیریت رطوبت: PCB ها را در محفظه های مهر و موم با مواد خشک کننده یا کنترل آب و هوا (حافظ بر RH < 50٪) برای کاربردهای بیرونی یا صنعتی قرار دهید.
مهار کننده های خوردگی: از مهار کننده های خوردگی فاز بخار (VCI) در محفظه ها برای خنثی کردن آلاینده های هوا (به عنوان مثال دی اکسید گوگرد، نمک) استفاده کنید.
نگهداری منظم: برای دستگاه های طولانی مدت (به عنوان مثال کنترل کننده توربین بادی) ، تمیز کردن دوره ای با الکل ایزوپروپیل (IPA) را برای حذف آلاینده های سطحی برنامه ریزی کنید.

4طراحی برای کاهش خطر مهاجرت
افزایش فاصله ردیابی: در صورت امکان، طراحی با فاصله ردیابی > 5 میلی برای کند کردن رشد دندریت. این امر به ویژه برای PCB های ولتاژ بالا (> 24 ولت) بسیار مهم است.
حلقه های محافظ: اضافه کردن حلقه های مس زمین دار در اطراف رد های حساس برای منحرف کردن یون ها از مسیرهای سیگنال.
ماسک جوش بر روی مس برهنه (SMOBC): پوشش کامل ماسک جوش را بین ردیف ها برای مسدود کردن مسیرهای مهاجرت یون تضمین کنید. از شکاف های ماسک که مس را نشان می دهد اجتناب کنید.

مطالعه موردی: حذف مهاجرت یون در دستگاه های پزشکی
یک تولید کننده از مانیتورهای ECG قابل حمل با شکست های مکرر میدان (20٪ در عرض 12 ماه) به دلیل کوتاه شدن ناشی از مهاجرت یون مواجه شد. تجزیه و تحلیل علت ریشه نشان داد:
باقیماندهای فلوکس پاک (مستقبل کلورید >3μg/cm2 که از محدودیت های IPC فراتر می رود)
رطوبت بالا در محیط های بالینی (65~70٪ RH).
فاصله 3 میلی متر در مسیر سیگنال EKG
راه حل های اجرا شده:
1از جریان بدون تمیز به جریان پاک آب، با تمیز کردن فوق صوتی پس از جوش.
2.طبق پوشش مطابق پاريلين C برای مهر و موم سطح PCB.
3. فاصله رد در مسیرهای بحرانی به 6 میلیمتر افزایش یافته است
نتایج:
آزمایش های کروماتوگرافی یون نشان داد که سطح کلرید به < 0.5μg/cm2 کاهش یافته است.
شکست های میدان در طول 24 ماه به < 1٪ کاهش یافت.
آزمایش SIR تحت 85٪ RH / 50V انحراف نشان داد هیچ کاهش مقاومت عایق بیش از 1000 ساعت.

مهاجرت یون در مقابل سایر حالت های شکست
مهاجرت یون اغلب با سایر مکانیسم های شکست PCB اشتباه گرفته می شود، اما تفاوت های کلیدی وجود دارد:

درک این تفاوت ها به تجزیه و تحلیل علت اصلی کمک می کند که برای اجرای راه حل های مناسب حیاتی است.

سوالات عمومی
س: آیا می توان مهاجرت یون ها را پس از تشخیص معکوس کرد؟
ج: نه. دندریت ها و آلودگی یون باعث آسیب دائمی می شوند. پیشگیری از طریق آزمایش و کنترل زودرس تنها راه حل است.

س: آیا پوشش مطابق برای همه PCB ها ضروری است؟
A: نه، اما برای PCB ها در محیط های مرطوب (> 50٪ RH) ، آلوده یا فضای باز بسیار توصیه می شود.

س: تست SIR باید چند بار انجام شود؟
A: برای طرح های جدید، آزمایش SIR در طول صلاحیت بسیار مهم است. برای تولید حجم بالا، نمونه گیری سه ماهه توصیه می شود تا ثبات فرآیند را تضمین کند.

س: آیا جوش بدون سرب خطر مهاجرت یون ها را افزایش می دهد؟
A: جوش های بدون سرب (به عنوان مثال، SAC305) می توانند یون های قلع بیشتری را نسبت به جوش های سرب دار در چرخه حرارتی آزاد کنند، اما تمیز کردن مناسب و پوشش سازگار این خطر را کاهش می دهد.

نتیجه گیری
مهاجرت یون یک تهدید ساکت اما قابل توجهی برای قابلیت اطمینان PCB است، که توسط آلودگی، رطوبت و ولتاژ ایجاد می شود.تاثیر آن از مدار کوتاه تا تخریب سیگنال باعث می شود که آن را به یک نگرانی اصلی برای الکترونیک با قابلیت اطمینان بالا در پزشکی تبدیل کند.، هوافضا و کاربردهای 5G.
جلوگیری از مهاجرت یون نیاز به یک رویکرد پیشگیرانه دارد: تمیز کردن دقیق در طول تولید، انتخاب دقیق مواد، کنترل محیط زیست و استراتژی های طراحی که خطر را کاهش می دهد.با ترکیب این اقدامات با آزمایش آلودگی اولیه (IC، SIR) ، تولید کنندگان می توانند اطمینان حاصل کنند که PCB های آنها در برابر آزمون زمان مقاومت می کنند.
در مسابقه برای ساخت الکترونیک کوچکتر، سریعتر و قدرتمندتر، جلوگیری از مهاجرت یون یک فکر بعدی نیست بلکه یک عنصر اساسی طراحی قابل اعتماد است.
نکته کلیدی: مهاجرت یون ها بر روی آلودگی و رطوبت رشد می کند، اما با تمیز کردن دقیق، انتخاب مواد هوشمند و کنترل محیط زیست، می توان به طور موثر از آن جلوگیری کرد،تضمین عملکرد PCB در دراز مدت.