Ilmankosteuden aiheuttamat korroosioilmiöt elektroniikan komponenteissa ja piirilevyissä
Kangas, Juho (2020)
Kandidaatintyö
Kangas, Juho
2020
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020112492895
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020112492895
Tiivistelmä
Elektroniikkalaitteita käytetään kaikkialla monenlaisissa olosuhteissa. Laitteiden kestävyys ja luotettavuus on tärkeää, koska vikaantuneet laitteet aiheuttavat taloudellisia menetyksiä. Ilmankosteus on yksi osatekijä korroosion synnyssä ja ilmankosteuden on arvioitu aiheuttavan noin 20 % elektroniikkalaitteiden vikaantumisista. Erilaiset valmistus- ja käyttövaiheessa piirilevyn pinnalle muodostuvat kontaminaatiot yhdessä kosteuden kanssa ovat yksi korroosion lähde.
Tässä työssä tutkitaan olemassa olevaa tutkimusdataa mekanismeista, joilla ilmankosteus vaikuttaa piirilevylle ladottavan elektroniikan vikaantumisiin, ja muodostuvaan korroosioon. Työ on jaoteltu ensin piirilevyillä yleisimpien korroosiomuotojen tutkimiseen, ja sen jälkeen on tutkittu tutkimustuloksia suola- ja fluksijäämäkontaminaatioiden vaikutusta piirilevyillä syntyviin vuotovirtoihin ja korroosioon. Tämän lisäksi työssä on tutustuttu keinoihin, joilla korroosion syntyä voidaan ehkäistä laitteen suunnittelu- ja käyttövaiheessa.
Sähkökemiallisessa migraatiossa komponenttien tai juotosten metalli-ionit vaeltavat pinnoille kosteuden johdosta muodostuvan elektrolyyttiliuosta pitkin piirilevyllä vaikuttavien jännite-erojen johdosta muodostaen dendriittejä. Galvaanisessa korroosiossa pinnoille muodostuva elektrolyyttiliuos sulkee galvaanisen piirin. Tällöin johtuen eri metallien välisistä galvaanisista potentiaaleista piirin anodimetallista kulkeutuu ioneja piirin katodille.
Piirilevyn pinnoille muodostuu elektrolyyttiliuoksia johtuen likakontaminaatioista. Ilmasta ja ympäristöstä eri suolat ovat tyypillisiä kontaminaation aiheuttajia. Valmistusprosessissa no-clean flukseista voi jäädä piirilevyn pinnoille kontaminaatioita, mikäli fluksi ei lämpiä riittävästi juotosvaiheessa. Näillä aineilla on hygroskooppisia ominaisuuksia, ja suhteellisen ilman kosteuden noustessa riittävän ylös, nämä aineet vetistyvät muodostaen elektrolyyttisen vesiliuoksen. Ilmankosteuden nousulla havaittiin olevan yhteys vuotovirtojen kasvuun, ja korroosion syntyyn.
Korroosion synnyltä voidaan suojautua suunnittelemalla laitteen kotelointi käyttöympäristöön sopivaksi, materiaalien valinnoilla, käyttöympäristöön vaikuttamalla ja huolehtimalla puhtaudesta valmistuksen ja käytön aikana. Electronics are used in varying operating conditions. The reliability of such devices is important because failures and malfunctions cause financial losses. Air humidity is one of the factors causing corrosion. It is estimated, that 20 % of the failures of electronics, is caused by air humidity. Contaminations accumulated on the surface of a PCB during production and use, with high humidity are a cause of corrosion.
The goal of this study is to research existing literature on the topics of humidity caused failures of PCB electronics, and the corrosion formed on the PCBs in humid conditions. First is a brief look at the typical forms of corrosion on electronics. Then it is investigated research data in the cases of the causes of corrosion and leak current in the cases of salt and flux residue contaminations. Lastly, corrosion prevention methods during production and use are researched.
In electrochemical migration, metal ions on the PCB migrate through electrolytic solutions formed by the existence of contamination and high enough relative humidity. This is caused by voltage differences across the PCB. The migrating ions form dendrites on the surface. In galvanic corrosion, the electrolytic solution closes a galvanic circuit. Metal ions travel from anode to cathode due to the galvanic potential differences between different metals on the PCB.
Electrolytic solutions are caused by contaminations from environment and production. Salts are typical contamination from the environment. No-clean fluxes from the production may remain on the surfaces, if the PCB does not heat up enough during the soldering. These substances hygroscopic properties and they form a liquid solution when the relative humidity reaches the deliquescence point of the substance. Air humidity was found to influence the magnitude of leak currents, and on the forming of the corrosion.
Corrosion prevention can be done by designing the case to suit operating conditions, correctly selecting the materials, influencing the operating environment and taking care of the cleanliness during manufacturing and use.
Tässä työssä tutkitaan olemassa olevaa tutkimusdataa mekanismeista, joilla ilmankosteus vaikuttaa piirilevylle ladottavan elektroniikan vikaantumisiin, ja muodostuvaan korroosioon. Työ on jaoteltu ensin piirilevyillä yleisimpien korroosiomuotojen tutkimiseen, ja sen jälkeen on tutkittu tutkimustuloksia suola- ja fluksijäämäkontaminaatioiden vaikutusta piirilevyillä syntyviin vuotovirtoihin ja korroosioon. Tämän lisäksi työssä on tutustuttu keinoihin, joilla korroosion syntyä voidaan ehkäistä laitteen suunnittelu- ja käyttövaiheessa.
Sähkökemiallisessa migraatiossa komponenttien tai juotosten metalli-ionit vaeltavat pinnoille kosteuden johdosta muodostuvan elektrolyyttiliuosta pitkin piirilevyllä vaikuttavien jännite-erojen johdosta muodostaen dendriittejä. Galvaanisessa korroosiossa pinnoille muodostuva elektrolyyttiliuos sulkee galvaanisen piirin. Tällöin johtuen eri metallien välisistä galvaanisista potentiaaleista piirin anodimetallista kulkeutuu ioneja piirin katodille.
Piirilevyn pinnoille muodostuu elektrolyyttiliuoksia johtuen likakontaminaatioista. Ilmasta ja ympäristöstä eri suolat ovat tyypillisiä kontaminaation aiheuttajia. Valmistusprosessissa no-clean flukseista voi jäädä piirilevyn pinnoille kontaminaatioita, mikäli fluksi ei lämpiä riittävästi juotosvaiheessa. Näillä aineilla on hygroskooppisia ominaisuuksia, ja suhteellisen ilman kosteuden noustessa riittävän ylös, nämä aineet vetistyvät muodostaen elektrolyyttisen vesiliuoksen. Ilmankosteuden nousulla havaittiin olevan yhteys vuotovirtojen kasvuun, ja korroosion syntyyn.
Korroosion synnyltä voidaan suojautua suunnittelemalla laitteen kotelointi käyttöympäristöön sopivaksi, materiaalien valinnoilla, käyttöympäristöön vaikuttamalla ja huolehtimalla puhtaudesta valmistuksen ja käytön aikana.
The goal of this study is to research existing literature on the topics of humidity caused failures of PCB electronics, and the corrosion formed on the PCBs in humid conditions. First is a brief look at the typical forms of corrosion on electronics. Then it is investigated research data in the cases of the causes of corrosion and leak current in the cases of salt and flux residue contaminations. Lastly, corrosion prevention methods during production and use are researched.
In electrochemical migration, metal ions on the PCB migrate through electrolytic solutions formed by the existence of contamination and high enough relative humidity. This is caused by voltage differences across the PCB. The migrating ions form dendrites on the surface. In galvanic corrosion, the electrolytic solution closes a galvanic circuit. Metal ions travel from anode to cathode due to the galvanic potential differences between different metals on the PCB.
Electrolytic solutions are caused by contaminations from environment and production. Salts are typical contamination from the environment. No-clean fluxes from the production may remain on the surfaces, if the PCB does not heat up enough during the soldering. These substances hygroscopic properties and they form a liquid solution when the relative humidity reaches the deliquescence point of the substance. Air humidity was found to influence the magnitude of leak currents, and on the forming of the corrosion.
Corrosion prevention can be done by designing the case to suit operating conditions, correctly selecting the materials, influencing the operating environment and taking care of the cleanliness during manufacturing and use.