劉勇志，詹 煬，鐘 浩，晉曉峰

（1.深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院，深圳 5180 55； 2.國家銅鉛鋅及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，銅陵 244000）

印刷電路組件吸濕性塵粒人工模擬試驗(yàn)中關(guān)鍵因素的控制

劉勇志1，詹 煬1，鐘 浩1，晉曉峰2

（1.深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院，深圳 5180 55； 2.國家銅鉛鋅及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，銅陵 244000）

吸濕性塵粒人工模擬試驗(yàn)（簡稱濕塵試驗(yàn)）是一種新型的環(huán)境試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)方法和試驗(yàn)過程中各環(huán)節(jié)的研究，確定了試驗(yàn)時(shí)應(yīng)把握的關(guān)鍵因素，并最終總結(jié)了試驗(yàn)中關(guān)鍵因素控制的方法。這些方法可為濕塵試驗(yàn) 的開展提供借鑒作用。

印刷電路組件；濕塵試驗(yàn)；吸濕性塵粒；濕度閥值；人工模擬試驗(yàn)；關(guān)鍵因素；IPC-B-25試片；表面絕緣電阻

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對石油化工產(chǎn)品的應(yīng)用越來越多，產(chǎn)生了大量的污染物，如硫的氧化物、氮氧化物等，這些污染物一般以鹽的形式存在于大氣環(huán)境中。這些鹽物質(zhì)與空氣中的塵埃混雜，形成顆粒，沉積在室內(nèi)外的電工電子設(shè)備表面，甚至進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。內(nèi)部的印制線路板呈平板狀，具有一定的表面積，容易積附鹽粒。

鹽粒具有吸濕性。當(dāng)環(huán)境濕度升高時(shí)，積附在印制線路板表面的鹽粒吸收水分并溶于水中，形成導(dǎo)電溶液，對金屬材料呈現(xiàn)腐蝕性；或在器件引腳及銅箔間形成電流路徑，造成電導(dǎo)通或電壓擊穿。這兩種情形，嚴(yán)重影響電工電子產(chǎn)品的可靠性。

如何評價(jià)印制線路板耐吸濕性鹽粒的污染能力？筆者所在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開展研究，形成了相關(guān)模擬試驗(yàn)和評價(jià)方法。下文對該方法中的各個(gè)步驟及涉及的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析和探討。

1 吸濕性塵粒人工模擬試驗(yàn)

吸濕性塵粒人工模擬試驗(yàn)（以下簡稱濕塵試驗(yàn)），主要用來評價(jià)印刷電路組件受鹽粒侵蝕時(shí)耐電導(dǎo)通或電壓擊穿的能力。

濕塵試驗(yàn)的基本流程如圖1所示。開展此試驗(yàn)，首先需調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)使得標(biāo)準(zhǔn)IPC-B-25控片符合預(yù)定的要求（SIR處于0.5~5 MΩ之間，相對濕度滿足在40%~90%范圍），然后對印刷電路組件按照滿足這預(yù)定要求的噴涂條件進(jìn)行噴涂，干燥后再對復(fù)原的試樣進(jìn)行功能檢查。如各項(xiàng)功能滿足預(yù)期要求，則試驗(yàn)通過；反之，則試驗(yàn)不通過。

2 問題的提出

濕塵試驗(yàn)，需先用標(biāo)準(zhǔn)IPC-B-25控片調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)。圖2是一種超聲噴霧系統(tǒng)，筆者所在實(shí)驗(yàn)室使用該系統(tǒng)開展吸濕性塵粒人工模擬試驗(yàn)。

該超聲噴霧系統(tǒng)，能產(chǎn)生比較均勻噴涂效果，其主要構(gòu)造特點(diǎn)如下：

1）具有精密泵送系統(tǒng)（含齒輪泵、微流泵和注射泵），能精密控制液體流量至超聲波噴嘴。

2）采用兩個(gè)超聲波噴嘴，扇形覆蓋噴涂區(qū)域；噴嘴間距可調(diào)。

圖1 吸濕性塵粒人工模擬（濕塵）試驗(yàn)基本流程

圖2 超聲噴霧系統(tǒng)

3）采用可控速式履帶平穩(wěn)、均勻傳送試樣。

我們在利用超聲噴霧系統(tǒng)進(jìn)行濕塵試驗(yàn)研究初期，常出現(xiàn)噴涂效果不理想的情形，反映在測量參數(shù)上是表面絕緣電阻（SIR）值與濕度閥值（RHt）不能建立預(yù)期的關(guān)聯(lián)性。

3 關(guān)鍵因素的確定

為了確定影響噴涂效果的因素，首先對調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)的過程進(jìn)行梳理。

圖3描述了調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)的過程。

噴涂參數(shù)調(diào)節(jié)過程中，大致統(tǒng)計(jì)有十三個(gè)影響因子（圖中用1）~13）做了標(biāo)注），每一個(gè)因子均對最終噴涂參數(shù)的調(diào)節(jié)是否有效起一定的作用。反復(fù)實(shí)踐表明，吸濕性鹽的特性、噴涂均勻度（傳送帶運(yùn)行速率、噴霧量和噴頭間距）和調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱濕度的方式（相對濕度的控制），是噴涂參數(shù)調(diào)節(jié)能否達(dá)到預(yù)期效果的關(guān)鍵因素。

4 關(guān)鍵因素的控制

調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)是濕塵試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)受吸濕性鹽的種類、噴涂均勻度（傳送帶運(yùn)行速率、噴霧量和噴頭間距）和調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱的濕度的方式（相對濕度的控制）等關(guān)鍵因素影響。如何控制這些關(guān)鍵因素，將直接影響試驗(yàn)效果。

4.1 吸濕性鹽的種類

圖3 噴涂參數(shù)調(diào)節(jié)過程

對吸濕性塵粒的成分分析表明，硫酸鹽、硝酸鹽是其主要的成分。然而，是否任意選取一類具有吸濕性鹽來進(jìn)行濕塵試驗(yàn)均可以呢？

圖4顯示了在不同相對濕度下，三種鹽類對IPC試片表面絕緣電阻的影響，該影響被歸納成相對于相對濕度的函數(shù)。

雖然硫化鈉、碳酸鉀、氯化鈣在大氣環(huán)境吸濕性塵粒中并不常見，但在濕塵試驗(yàn)中比較容易控制，更適合用來模擬由于表面絕緣電阻下降所導(dǎo)致的結(jié)果。

圖4中的三類鹽，又屬硫化鈉特性更佳（表面絕緣電阻值與相對濕度關(guān)系的趨勢較為清晰），最適合應(yīng)用于濕塵試驗(yàn)中噴涂參數(shù)的調(diào)節(jié)。

4.2 噴涂均勻度

要保證噴涂的均勻性，首先需控制試樣傳送速率，盡量實(shí)現(xiàn)一次噴涂，同時(shí)需控制噴霧量。當(dāng)采用兩個(gè)超聲噴頭進(jìn)行噴涂時(shí)，還應(yīng)關(guān)注并調(diào)節(jié)噴頭之間的距離。

1）傳送帶運(yùn)行速率

本試驗(yàn)中，試樣放置在載樣板上，載樣板在傳送帶的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)，因此，試樣的傳送速率，就是傳送帶運(yùn)行速率。調(diào)節(jié)傳送帶運(yùn)行速率，是為了控制IPC-B-25試片所接受噴涂的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)一次噴涂即能達(dá)到預(yù)期效果的目的。

當(dāng)選擇較快的傳送帶運(yùn)行速率時(shí)，IPC-B-25控制試片在特定噴頭流量的情形下，所能接受到的噴霧量較少，那么就需要第二次或第三次的同樣傳送速率下的噴涂。而每增加一次的噴涂，同時(shí)也就增加了一些不確定的干擾因素，如噴涂過量、人手接觸時(shí)所產(chǎn)生的額外污染或出現(xiàn)非預(yù)期的擦拭等情形。

而當(dāng)選擇較慢的傳送帶運(yùn)行速率時(shí)，又可能出現(xiàn)一次噴涂就出現(xiàn)噴涂過量的情形。

因此，建議在噴涂次數(shù)控制為一次的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)合適的傳送運(yùn)行速率，減小噴涂不均勻的影響，盡量獲取更好的試驗(yàn)效果。

2）噴霧量

即使采用的兩個(gè)超聲噴頭的型號相同，但其實(shí)際的運(yùn)行功率和流量泵泵出溶液流量很可能存在差異，故相同時(shí)間內(nèi)各個(gè)噴頭的噴霧量會(huì)不同，從而導(dǎo)致噴涂不完全均勻而影響效果。因此，噴霧量是需要精細(xì)控制的關(guān)鍵因素之一。

當(dāng)噴頭運(yùn)行功率調(diào)節(jié)過小時(shí)，溶液將會(huì)出現(xiàn)不完全霧化的情形，甚至?xí)幸旱纬霈F(xiàn)；而當(dāng)功率調(diào)節(jié)過大時(shí)，會(huì)把大液滴拋出，造成明顯可見的噴涂不均的情形。

噴頭工作時(shí)所需的溶液流量調(diào)節(jié)與功率的調(diào)節(jié)相似。溶液供給不足，即流量過小，難于滿足噴頭噴霧需要；流量過大，造成溶液未被霧化即噴出的情形。理想的效果是流量小而又能得到滿意的噴涂液體分布。

經(jīng)過多次實(shí)踐，總結(jié)得到，噴霧量的調(diào)節(jié)，沒有捷徑可走，只有結(jié)合噴頭特性并組合調(diào)整上述兩個(gè)主要參量，最終對噴頭噴霧所得液體分布的均勻性來定型。

圖5和圖6是對噴霧量調(diào)節(jié)前后載樣板在噴頭正下方采集到的液體分布圖（采集時(shí)間為30 s）。圖5（調(diào)節(jié)前）的液體分布存在明顯可見的液滴，而圖6（調(diào)節(jié)后）的液體分布較為均勻。

3）超聲噴頭的間距

圖4 吸濕性鹽粒沉積后IPC試片在不同相對濕度下的表面絕緣電阻

圖6 噴霧量調(diào)節(jié)后液體分布

每個(gè)超聲噴頭，均有各自一定的噴涂范圍，在其范圍之內(nèi)，噴涂是相對均勻的。因此，當(dāng)試樣的尺寸過大時(shí)，就需要兩個(gè)或多個(gè)噴頭。此時(shí)，需特別觀察噴涂的液體分布，通過調(diào)節(jié)噴頭的間距，避免兩個(gè)液體分布之間的過度重疊。

4.3 相對濕度的控制

調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱濕度，最終需要確定的是濕度閥值，即RHt。

試驗(yàn)人員應(yīng)以哪個(gè)濕度值作為起點(diǎn)開始調(diào)節(jié)？以多大的間隔來進(jìn)行調(diào)節(jié)？到達(dá)某一個(gè)濕度值后，駐留多長時(shí)間后再測量表面絕緣電阻？要回答上述三個(gè)問題，需要了解印刷電路組件表面絕緣電阻與環(huán)境相對濕度的典型關(guān)聯(lián)性和吸濕性鹽的潮解特性。

圖7是印刷電路組件表面絕緣電阻與環(huán)境相對濕度的相關(guān)性。從圖中可知，當(dāng)環(huán)境相對濕度在60 %~80 %時(shí)，表面絕緣電阻出現(xiàn)急劇下降的情形（圖4也恰恰驗(yàn)證了這一點(diǎn)）。也正因?yàn)槿绱耍o了我們啟示，選擇表面絕緣電阻開始急劇下降的初始階段中的某一個(gè)濕度值作為相對濕度的調(diào)節(jié)起點(diǎn)是合理的（如70 %）；同時(shí)，也正因?yàn)樵谶@一階段對環(huán)境相對濕度的敏感性較大，因此也決定了調(diào)節(jié)的步長不能過大，建議選擇2 %或3 %。

吸濕性大是吸濕性鹽的水溶性較強(qiáng)，這就意味著當(dāng)環(huán)境相對濕度提高時(shí)，鹽分需經(jīng)歷一個(gè)快速吸收空氣中的水分，接著進(jìn)入平緩吸收，最后達(dá)到平衡穩(wěn)定的過程。因此，在測量表面的絕緣電阻時(shí)，也應(yīng)有一個(gè)使得環(huán)境相對濕度充分穩(wěn)定的過程。通常地，穩(wěn)定60 min后測量，是較為合理的。

圖7 印刷電路組件表面絕緣電阻與環(huán)境相對濕度的相關(guān)性

5 總結(jié)

調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)是濕塵試驗(yàn)的首要環(huán)節(jié)。噴涂參數(shù)調(diào)節(jié)妥當(dāng)，才能保證試驗(yàn)效果。本文通過梳理影響噴涂參數(shù)調(diào)節(jié)的各個(gè)因素，結(jié)合平時(shí)的反復(fù)實(shí)踐，把吸濕性鹽的種類、噴涂均勻度和試驗(yàn)箱的濕度調(diào)節(jié)方式確定為關(guān)鍵因素，并就如何把控這些關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。文中關(guān)于鹽類選擇和相對濕度的調(diào)節(jié)起點(diǎn)及調(diào)節(jié)步長的建議，具有普遍參考作用；如何調(diào)整噴涂均勻度？不同的噴涂設(shè)備，調(diào)整措施可能不一樣。文中提及的調(diào)整傳送帶運(yùn)行速率、噴霧量和噴頭間距等措施，是基于筆者所用的設(shè)備。建議應(yīng)根據(jù)所用設(shè)備的具體構(gòu)造和技術(shù)特征，針對性地采取調(diào)整措施。

[1] IEC 60068-2-60:2015, Environmental testing Part 2: Tests Test Ke: Flowing mixed gas corrosion test [S].

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[7]陶有遷.超聲霧化在煙霧試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn), 2000, 3: 27-30.

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劉勇志（1984年7月），男，漢，籍貫：廣東梅州，工程師，本科，從事環(huán)境與可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究與應(yīng)用。

Controlling of Key Factors in Hygroscopic Dust Artifi cial Simulation Test for PCBA

LIU Yong-zhi1, ZHAN Yang1, ZHONG Hao1, JIN Xiao-feng2
(1.Shenzhen Academy of Metrology & Quality Inspection, Shenzhen 518055; 2.China National Quality Supervision and Testing Center for Cu-Pb-Zn and Products, Tongling 244000)

Hygroscopic dust artificial simulation test (hygroscopic dust test) is a new type of environmental test.Through researching on the test method and the steps of test process, this paper determines the critical factors that should be grasped during the test, and summarizes the method for controlling these factors during the test.It provides reference for hygroscopic dust test.

printed wiring board assembly (PCBA); hygroscopic dust test; hygroscopic dust; threshold relative humidity (RHt); artificial simulation test; critical factor; IPC-B-25 coupon; surface insulation resistance (SIR)

TB99

B

1004-7204（2016）05-0019-04