離子遷移

發(fā)生這一現(xiàn)象的條件是在潮濕環(huán)境下，絕緣體表面或內(nèi)部有形成電解質(zhì)物質(zhì)的潛在因素。包括絕緣體本身的種類，構(gòu)成，添加物，纖維性能，樹(shù)脂性能等。

從基板的構(gòu)成因素來(lái)看，分為三個(gè)方面：

一是樹(shù)脂方面，樹(shù)脂的組成，官能團(tuán)，固化程度 ，離子濃度（雜質(zhì)、水解性能等），吸濕性；

二是纖維方面：玻璃纖維的密度，有機(jī)纖維的吸潮性；

三是加工條件方面：通孔的條件（有無(wú)電鍍液殘留），層積條件（樹(shù)脂間粘合性），加工工藝殘留物（粗化、電鍍等的殘液）。

從線路板表面的誘因來(lái)看，因素就更多一些，除基板因素外，還有基板上所安裝的元件和金屬構(gòu)件在電鍍孔隙中留下的未能洗凈的電解質(zhì)，焊料，膠類，易發(fā)生電解的物質(zhì)，灰塵等離子污染，結(jié)露等。

從更深入的研究來(lái)看，線路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也與是否發(fā)生離子遷移故障有關(guān)連。因?yàn)榫€路板上的電場(chǎng)分布和易氧化金屬材料所帶的電的極性，是與線路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)的。其中線路間距和線路間所存在的直流電場(chǎng)與發(fā)生離子遷移有直接的關(guān)系，當(dāng)兩相鄰近的線路間有直流電場(chǎng)存在，包括同相電流間的電位差的存在，在潮濕條件下，極易發(fā)生處于陽(yáng)極狀態(tài)的金屬的離子化并向相對(duì)的陰極遷移。這同時(shí)與安裝在線路中的元件和器件所用的金屬材料的物理性能也有關(guān)系。比如金屬的離子化能、離子的水解性以及離子的遷移度等，都對(duì)離子遷移的發(fā)生有很大影響。

離子在單位強(qiáng)度(V/m)電場(chǎng)作用下的移動(dòng)速度稱之為離子遷移率，它是分辨被測(cè)離子直徑大小的一個(gè)重要參數(shù)。空氣離子直徑越小，其遷移速度就越快。 離子遷移率是表達(dá)被測(cè)離子大小的重要參數(shù)。離子運(yùn)動(dòng)速度與離子直徑成反比，而離子遷移率與離子運(yùn)動(dòng)速度成正比，故離子遷移率與離子直徑成負(fù)比。

產(chǎn)生離子遷移的原因，是當(dāng)絕緣體兩端的金屬之間有直流電場(chǎng)時(shí)，這兩邊的金屬就成為兩個(gè)電極，其中作為陽(yáng)極的一方發(fā)生離子化并在電場(chǎng)作用下通過(guò)絕緣體向另一邊的金屬（陰極）遷移。從而使絕緣體處于離子導(dǎo)電狀態(tài)。顯然，這將使絕緣體的絕緣性能下降甚至成為導(dǎo)體而造成短路故障。

為了研究產(chǎn)生離子遷移故障的機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)中要模擬離子的遷移過(guò)程。通常采用的方法有兩種，

一種是蒸氣試驗(yàn)法。這是將被測(cè)試片放入盛有過(guò)飽和鹽溶液的容器內(nèi)，以高濕度和一定溫度下使試片發(fā)生離子遷移現(xiàn)象，然后通過(guò)與試片聯(lián)接的超絕緣電阻器對(duì)試片的絕緣性能的變化進(jìn)行測(cè)量。

另一種方法是水溶液試驗(yàn)方法，所用試片是金屬電極，比如銀電極。將兩個(gè)電極放在玻璃板上，再在上面壓一層透明有機(jī)玻璃板，兩個(gè)電極分別與電源的正副極相聯(lián)，在電極間滴入去離子水，模擬結(jié)露狀態(tài)再用相機(jī)拍下在電場(chǎng)作用下不同時(shí)間、不同條件下的電遷移情形。

用這種方法可以直觀地觀測(cè)到離子遷移的物理形態(tài)，可以測(cè)到不同時(shí)間下絕緣電阻的變化，直到兩電極間最終形成短路。

離子遷移所造成的故障主要是使印刷PCB的電絕緣性能下降，嚴(yán)重的則是引起線路間的短路，以致于發(fā)生燒毀電器甚至于引起火災(zāi)。這種故障在線間距離趨小的情況下有增長(zhǎng)的可能，因而引起關(guān)注。日本在 1995-1998 年 4 年期間家電所發(fā)生的設(shè)計(jì)和制造方面的故障有 284 起 , 其中因PCB發(fā)熱起火的有8起 , 這8次起火事故中有4起是離子遷移引起的。另外，由于起火事故往往破壞了PCB的原始狀態(tài)，所以有的即便是離子遷移故障也無(wú)法加以確定。

防止發(fā)生離子遷移故障的一個(gè)重要措施當(dāng)然是要保持使用環(huán)境的干燥，但是PCB制作工藝也十分重要。都已經(jīng)很少用到紙質(zhì)的樹(shù)脂板，并且非常重視防止化學(xué)污染。在所用的電子化學(xué)品中，最容易被忽視的是焊劑，所用的焊劑一般由天然或合成樹(shù)脂、有機(jī)胺酸或有機(jī)磺酸及其鹽、有機(jī)溶劑等組成。這些有機(jī)物特別是有機(jī)酸殘留在PCB上，在潮濕條件下會(huì)成為電解質(zhì)而引發(fā)電遷移。因此，選擇和使用合適的焊劑是十分重要的。應(yīng)選用疏水性強(qiáng)的有機(jī)酸和不含鹵素離子的鹽類做活性劑，并要避免其在PCB上的殘留。尤其在采用無(wú)清洗工藝的時(shí)候，這是更為重要的提示。

由于早期的線路板線間距比較寬，發(fā)生這種故障的幾率很小，并且只有在高溫潮濕的條件下才有發(fā)生的可能，因此這一現(xiàn)象沒(méi)有引起重視。

最早對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究的是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的 kohman 等人,他們發(fā)現(xiàn)在電話交換機(jī)的連接件中，有些鍍?cè)阢~接線柱上的銀在酚醛樹(shù)脂基板內(nèi)有檢出，他們證實(shí)是銀離子的遷移。這種現(xiàn)象有時(shí)會(huì)引起基板的絕緣性能下降。其發(fā)生的原因可能是在直流電壓下受潮的鍍層發(fā)生離子化而引起的。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，除了銀外，鋁、錫都有類似現(xiàn)象。但是很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期幾乎沒(méi)有人關(guān)注這方面的研究。直到二十世紀(jì)七十年代，有關(guān)這方面的研究又開(kāi)始引起人們的注意。這時(shí)以陶瓷為基板的高密度印刷線路板和覆銅線路板開(kāi)始向小型化方向發(fā)展，使對(duì)基板材質(zhì)的研究有所發(fā)展，使得又有人開(kāi)始注意到離子遷移對(duì)基板絕緣性能的影響。

這些研究大多數(shù)還只是局限在西方，并且論著并不多見(jiàn)。到了二十世紀(jì)八十年代特別是九十年代以來(lái)，日本也開(kāi)始關(guān)注這一課題，關(guān)于這方面的研究報(bào)告也多起來(lái)。由于沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這些研究的重現(xiàn)性欠佳，所得的結(jié)論也有所差異。

離子遷移譜（ion mobiIity spectrometry，IMS），也稱離子遷移率譜，是在 20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)的一種新的氣相分離和檢測(cè)技術(shù)。它以離子漂移時(shí)間的差別來(lái)進(jìn)行離子的分離定性，借助類似于色譜保留時(shí)間的概念，起初被稱為等離子體色譜。在早期的研究工作中，IMS裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高的特點(diǎn)引起了人們極大的興趣。IMS技術(shù)發(fā)展初期主要是在爆炸物和毒劑的檢測(cè)方面，并于 20世紀(jì) 80 年代初研制出軍用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器。但是因?yàn)槠浞直媛实偷娜秉c(diǎn)和當(dāng)時(shí)對(duì)大氣壓力下離子化的特性了解不多，民用方面的發(fā)展緩慢。進(jìn)入 20世紀(jì) 90 年代，隨著公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)的增多和商品化的離子遷移譜儀的推出，國(guó)際上研究 IMS 技術(shù)的機(jī)構(gòu)和研究人員逐漸增多。近年來(lái)反恐稽毒的需求極大地促進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)高靈敏、高選擇性檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展。IMS特別適合于一些揮發(fā)性有機(jī)化合物的痕量探測(cè)，如化學(xué)戰(zhàn)劑、毒品、爆炸物和大氣污染物等，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)安檢和戰(zhàn)地勘查，并在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)等方面有應(yīng)用 。2100433B

硝酸銀顯色法常用來(lái)測(cè)定水泥基材料中氯離子的滲透深度，文獻(xiàn)中報(bào)道的測(cè)試的變色邊界處氯離子濃度在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)，其氯離子分析測(cè)試的過(guò)程也很復(fù)雜。本項(xiàng)目通過(guò)各種因素對(duì)硝酸銀顯色反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過(guò)程、水泥基材料的顏色對(duì)顯色的影響及取樣過(guò)程的系統(tǒng)研究，澄清顯色反應(yīng)機(jī)理及各種因素對(duì)顯色反應(yīng)的影響，找出簡(jiǎn)單的確定在不同環(huán)境和條件下變色邊界處氯離子濃度的方法。用簡(jiǎn)單的硝酸銀顯色法來(lái)取代現(xiàn)在通用的混凝土切片加化學(xué)分析的復(fù)雜過(guò)程，然后基于菲克第二定律來(lái)計(jì)算混凝土中氯離子的表觀遷移系數(shù)。此法不僅可用于實(shí)驗(yàn)室中混凝土中氯離子遷移的測(cè)試和研究，還可用來(lái)對(duì)在氯離子環(huán)境中現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)控、評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)。

通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)研究確定了精確的氯離子變色邊界自由氯離子濃度范圍, 同時(shí)對(duì)水泥基材料中自由氯離子濃度測(cè)量方法及表面氯離子濃度進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)研究，并對(duì)硝酸銀顯色法測(cè)量非穩(wěn)態(tài)電遷移系數(shù)進(jìn)行了誤差評(píng)估，最后對(duì)硝酸銀顯色法測(cè)量自然擴(kuò)散條件下氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了理論基礎(chǔ)及試驗(yàn)應(yīng)用研究。發(fā)明了一種混凝土切削取樣機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該種功能儀器的空白。取樣安全、衛(wèi)生及快捷，較國(guó)外類似功能儀器更經(jīng)濟(jì)，切削刀具成本低廉很多。建立水泥基材料中氯離子吸附雙電層模型，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量，計(jì)算出壓濾孔溶液濃度。結(jié)果表明孔溶液氯離子濃度并不存在所謂的“濃縮”，所謂“濃縮”是由于壓濾改變了水泥基材料雙電層溶液氯離子濃度引起測(cè)量結(jié)果升高的現(xiàn)象?？紤]氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算方法及表面氯離子濃度變化規(guī)律，理論分析了硝酸銀顯色法精確測(cè)量氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)表層氯離子濃度與浸泡液氯離子濃度相近時(shí)，硝酸銀顯色法測(cè)量的表觀擴(kuò)散系數(shù)與NT Build443方法測(cè)量的表觀系數(shù)十分相近。 2100433B