PCB의 이온 마이그레이션: 신뢰성 위협 및 고급 오염 관리

현대 PCB의 복잡한 회로에서, 흔적 간격이 2~3 밀리만큼 좁을 수 있습니다. 미세한 수준의 오염도 재앙적인 고장을 유발할 수 있습니다. 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 reliability이 현상은 간헐적인 고장뿐만 아니라 의료 모니터, 항공우주 시스템 및 5G 기지국과 같은 중요한 응용 프로그램에서 장치의 완전한 종료로 이어질 수 있습니다.이온이 어떻게 이동하는지 이해, PCB 성능에 미치는 영향, 그리고 최신 오염 통제 전략은 오래 지속되고 높은 신뢰성을 가진 전자 제품을 만드는 것을 목표로하는 엔지니어와 제조업체에게 필수적입니다.

이온 이동 은 무엇 이며 어떻게 발생 합니까?
이온 이동은 전하가 있는 금속 이온 (일반적으로 구리, 은 또는 진) 이 특정 조건 하에서 PCB 단열 재료 (연금 마스크, 기판) 의 표면을 통과하거나 통과하는 이동이다.이 과정에는 세 가지 핵심 요소가 필요합니다.:
1이온 오염: 제조업의 잔재 (류수, 진열물질, 처리유), 환경 오염물질 (먼지, 습기) 또는 운영 부산물 (성화,이온으로 용해되는 용매 결합 분해 (e.g, Cu2+, Ag+).
2습도: 물 (습기, 응축, 또는 직접 노출) 은 전도기로서 작용하여 이온이 이동할 수 있습니다. 60%의 상대 습도 (RH) 는 오염된 PCB의 이동을 가능하게하기에 충분합니다.
3전기장: 인접한 흔적 사이의 전압 차이는 이온을 애노드 (긍정적 측면) 에서 캐토드 (부적 측면) 으로 끌어당기는 추진력을 만듭니다.
시간이 지남에 따라, 이 움직임은 두 개의 전도기를 연결할 때 단회로를 일으키는 덩어리 (dendrites) 의 얇고 나무와 같은 금속 필라멘트의 형성을 초래합니다.완전히 다리 짓기 전에도, 부분적인 덩드라이트 성장은 누출 전류를 증가시키고 신호 무결성을 저하시키거나 간헐적인 장애를 유발할 수 있습니다.

이온 이동이 PCB 신뢰성에 미치는 영향
이온 이동의 결과는 응용 프로그램에 따라 다르지만 종종 비용이 많이 들며 때로는 위험한 장애를 초래합니다.
1단전 및 재난적 고장
돌연변이 발생은 주요 위험요소입니다. 예를 들어:
a. 5G 기지 스테이션 PCB는 3 mil의 흔적 간격으로 높은 습도 (85% RH) 와 30V 편향 아래에서 6 개월 이내에 전도성 덩드라이트를 생성 할 수 있습니다.라디오 모듈 전체를 비활성화시키는 단축을 일으킨다..
b. 오염된 PCB가 있는 의료용 투여 펌프에서 덩드라이트로 인한 단축이 발생하여 잘못된 복용량 전달으로 이어져 생명을 위협하는 시나리오가 발생했습니다.

2신호 무결성 저하
부분적인 이온 마이그레이션조차도 흔적 사이의 누출 전류를 증가시켜 5G, 레이더 및 IoT 장치의 고주파 신호 (10+ GHz) 를 방해합니다. 예를 들어:
a. 100nA 이상의 누출 전류는 28GHz 5G PCB에서 신호 반사 및 약화를 유발하여 데이터 처리량을 30% 이상 줄일 수 있습니다.
b. 정밀 아날로그 회로 (예를 들어, ECG 모니터) 에서 이온 이동으로 인한 소음은 저전압 신호 (≤1mV) 를 손상시켜 부정확한 판독을 초래할 수 있습니다.

3- 단축된 수명과 더 많은 유지보수
이온 이동 손상 PCB는 종종 조기 교체해야합니다. IPC의 연구에 따르면 이온 이동은 습한 환경 (예를 들어, 해안 지역,높은 습도를 가진 산업 시설)항공우주 시스템에서는 비행중 엔터테인먼트 또는 내비게이션 PCB를 교체할 경우 유지보수 비용이 최대 100,000 달러까지 증가합니다.

이온 오염 의 주요 근원
이온이 이동하는 것을 막기 위해서는 오염원을 확인하고 제거하는 것이 중요합니다.

1제조업 잔류
플럭스 잔재: 라진 기반 또는 깨끗하지 않은 플럭스는 적절히 청소되지 않으면 이온 잔재 (하하이드, 유기산) 를 남깁니다. 깨끗하지 않은 플럭스는 편리하지만 시간이 지남에 따라 축적 될 수 있습니다.특히 습도가 높은 환경에서는.
에칭 및 플래팅 화학물질: 에칭 물질 (예를 들어, 구리 염화물) 의 염화물 또는 완전히 씻어지지 않은 플래팅 욕조의 황화물은 PCB 표면에 남아있을 수 있습니다.
손질 기름: 지문 에는 소금 (나트륨, 칼륨) 과 수분 에 녹아 이온 경로 를 만들어 내는 지방산 이 있다.

2환경 오염물질
습도와 물: 높은 RH (> 60%) 는 촉매제이지만 액체 물 (예를 들어, 야외 장벽에서의 응고에서) 은 이온 이동을 가속화합니다.
산업 오염물질: 공장, 정제 공장, 해안 지역 에서 PCB 는 황 이산화, 소금 스프레이 (NaCl), 또는 암모니아 로 노출 됩니다. 이 모든 물질 들 은 부식 이온 을 형성 합니다.
먼지 및 미세먼지: 공기 중 먼지는 종종 습기에 녹는 미네랄 (칼슘, 마그네슘) 을 함유하여 이온 농도를 증가시킵니다.

3. 운영 마비
용매 관절 분해: 노화 된 용매 관절은 특히 열 사이클 (-55 °C ~ 125 °C) 하에서 진과 납 이온을 방출합니다.
부식: 구리 흔적이나 부품 전선이 습하고 오염된 환경에서 부식하여 이동을 촉진하는 Cu2+ 이온을 방출합니다.

이온 오염 검사: 조기 발견 은 비용 을 절감 해 준다
이온 오염의 조기 검출은 이온 이동을 방지하는 데 매우 중요합니다. 산업 표준 테스트는 PCB가 사용되기 전에 오염 수준을 측정합니다.
1이온 염색체 (IC)
이온 오염 물질을 정량화하는 금 표준인 IC는 DI 물을 사용하여 PCB 표면에서 잔해를 추출하고, 특정 이온 (염소, 황화, 나트륨) 을 위해 용액을 분석합니다.
절차: PCB는 오염 물질을 해소하기 위해 가열 된 DI 물 (75°C) 에 1 시간 동안 침몰합니다. 추출물은 이온 염색기관에 주입되며 이온을 식별하고 정량화합니다.
수용 기준: IPC-TM-650 2.3.28은 높은 신뢰성 PCB (클래스 3) 에 대해 최대 1.56μg/cm2 (NaCl 동등) 를 지정한다.

2전도성 테스트 (ROSE 테스트)
더 빠르고 저렴한 대안인 용매 추출물의 저항성 (ROSE) 테스트는 추출액의 전도도를 측정합니다. 더 높은 전도성은 더 많은 이온 오염을 나타냅니다.
절차: IC와 비슷하지만 추출물의 전도성 (μS/cm) 은 특정 이온 대신 측정됩니다.
한계: 이온 유형을 식별하지 않지만 빠른 통과 / 실패 결과를 제공합니다.
허용 기준: 3급 PCB에 대해 ≤1.5μS/cm

3표면 단열 저항 (SIR) 테스트
SIR 테스트는 PCB가 운영 조건에서 이온 이동에 얼마나 잘 저항하는지 평가합니다. 그것은 장기적인 신뢰성을 예측하는 가장 직접적인 방법입니다.
설정: 시험 패턴 (2 ∼5 밀리 사이 사이를 가진 빗구조) 를 가진 PCB는 1,000시간 이상 높은 습도 (85% RH) 와 전압 편향 (50 ∼100V) 에 노출됩니다.
측정: 흔적 사이의 단열 저항이 모니터링됩니다. 108Ω 이하의 하락은 중요한 이온 이동 위험을 나타냅니다.
중요: 항공우주, 의료 및 자동차 PCB에서 실패가 비용이 많이 든다.

오염 통제 전략: 이온 이산 방지
오염을 효과적으로 통제하려면 제조의 우수한 방법, 재료 선택 및 환경 보호를 결합하는 다층 접근이 필요합니다.
1제조 도중 엄격 한 청소
플럭스 후 청소: 높은 신뢰성 PCB의 경우 플럭스 잔류를 제거하기 위해 수분 청소 (이온화 물과 온화 세척제) 또는 초음파 청소를 사용하십시오.습기 또는 중요한 애플리케이션을 위해 '정결하지 않은' 흐름에만 의존하는 것을 피하십시오..
적절한 冲洗: 에치, 플래팅 또는 용접 후 화학 잔해를 제거하기 위해 다단계 DI 물 冲洗 (18 MΩ-cm 순도) 를 사용하십시오.최종 冲洗에는 < 5ppm의 총 용해 고체 (TDS) 가 있어야 합니다..
청정실 처리: 먼지와 지문 오염을 최소화하기 위해 ISO 8 또는 더 나은 청정실에서 PCB를 처리하십시오. 장갑 사용 (입자 분출을 촉진하는 라텍스 아닌 나이트릴) 을 강제하십시오.

2오염에 저항하기 위한 재료 선택
솔더 마스크: 낮은 수분 흡수 (<0.1%) 및 화학 저항성을 가진 고성능 솔더 마스크를 선택하십시오. (예를 들어, Taiyo PSR-4000과 같은 에록시 기반 마스크).이들은 습도의 침투에 저항하고 마스크를 통해 이온의 이동을 방지합니다..
기판: 높은 Tg FR-4 또는 PTFE 기판 (고주파 설계용) 은 표준 FR-4보다 습도에 더 잘 저항하여 이온 운송 경로를 줄입니다.
컨포머스 코팅: 가혹 한 환경 에서 PCB 를 위해, 수분 및 오염물질 을 차단 하는, 표면을 봉쇄 하기 위해 컨포머스 코팅 (실리콘, 아크릴, 또는 파리렌) 을 적용 한다.소금 구멍 없는 커버특히 의료기기에 효과적입니다.

3환경 관리
습도 관리: 외부 또는 산업용 용도로 PCB를 건조제 또는 기후 제어 장치로 밀폐 된 장에 보관하십시오 (RH < 50% 유지).
부식 억제제: 대기 중 오염물질 (예를 들어, 이산화황, 소금) 를 중화하기 위해 방부 단계에서 부식 억제제 (VCI) 를 사용한다.
정기적 인 유지 보수: 오래 사용 되는 장치 (예: 풍력 터빈 컨트롤러) 를 위해, 표면 오염 물질을 제거 하기 위해 아이소 프로필 알코올 (IPA) 으로 주기적으로 청소 를 계획 한다.

4- 이주 위험을 줄이기 위한 설계
더 많은 흔적 간격: 가능한 경우, 흔적 간격 > 5mL로 설계하여 덩어리성 성장을 느리게하십시오. 이것은 특히 고전압 PCB (> 24V) 에 중요합니다.
보호 고리: 신호 경로에서 이온을 돌리는 민감한 흔적 주위에 땅으로 된 구리 고리를 추가합니다.
노크 코퍼 (SMOBC) 상의 솔더 마스크: 이온 이동 경로를 차단하기 위해 흔적 사이의 완전한 솔더 마스크 커버를 보장하십시오. 구리를 노출시키는 마스크 틈을 피하십시오.

사례 연구: 의료기기에서의 이온 이동 제거
휴대용 ECG 모니터 의 한 제조업체 는 이온 이동 때문 에 현장 장애 가 빈번 히 발생 하였다. 이온 이동 때문 에 현장 장애 는 12 개월 이내에 20% 증가 하였다. 근본 원인 분석 은 다음 과 같이 밝혀졌다.
순수한 플럭스 잔류가 없습니다 (IPC 한도를 초과하는 염화물 함수 > 3μg/cm2)
임상 환경에서 높은 습도 (65~70% RH)
ECG 신호 경로에서 3 밀리미터의 흔적 간격
적용 된 해결책:
1. 청소되지 않은 흐름에서 수분-깨끗한 흐름으로 전환, 소금 후 초음파 청소.
2.PCB 표면을 봉쇄하기 위해 파리렌 C 합성 코팅을 적용했습니다.
3중요한 경로에서 흔적 간격이 6mls로 증가했습니다.
결과:
이온 크로마토그래피 테스트에서는 염화질소 농도가 0. 5μg/cm2로 떨어졌습니다.
현장 장애는 24 개월 동안 < 1%로 감소했습니다.
85%의 RH/50V 편향 아래의 SIR 테스트는 1000시간 동안 단열 저항이 떨어지지 않았습니다.

이온 마이그레이션 대 다른 실패 모드
이온 마이그레이션은 종종 다른 PCB 실패 메커니즘과 혼동되지만 주요 차이점이 있습니다.

이러한 차이점을 이해하는 것은 올바른 해결 방법을 구현하는 데 중요한 근본 원인에 대한 분석에 도움이 됩니다.

FAQ
질문: 이온이 이동하면 되돌릴 수 있을까요?
A: 아닙니다. 돌연변이 및 이온 오염 은 영구적 인 손상을 유발 합니다. 초기 검사 와 통제 를 통해 예방 하는 것 이 유일한 해결책 입니다.

Q: 모든 PCB에 합동 코팅이 필요한가요?
A: 아니, 그러나 습기 (> 50% RH), 오염 또는 야외 환경에서 PCB를 위해 강력히 권장됩니다. 통제 된 환경에서 소비 전자 제품은 필요하지 않을 수 있습니다.

질문: SIR 검사는 얼마나 자주 수행되어야 합니까?
A: 새로운 설계의 경우, SIR 테스트는 자격 과정에서 매우 중요합니다. 대량 생산의 경우, 프로세스 일관성을 보장하기 위해 분기별 샘플링이 권장됩니다.

질문: 납 없는 용접이 이온 이동 위험을 증가시키나요?
A: 납 없는 용접제 (예를 들어, SAC305) 는 열순환에 따라 납 용접제보다 더 많은 진이온을 방출할 수 있지만, 적절한 청소와 양형 코팅은 이 위험을 완화시킨다.

결론
이온이 이동하는 것은 PCB의 신뢰성에 침묵하지만 중요한 위협입니다. 오염, 습도 및 전압으로 인해 발생합니다.그 영향은 단회로에서 신호 저하에 이르기까지 의료용 높은 신뢰성 전자제품의 주요 관심사입니다., 항공우주 및 5G 애플리케이션.
이온이 이동하는 것을 막기 위해서는 적극적인 접근이 필요합니다. 제조 과정에서 엄격한 청소, 신중한 재료 선택, 환경 통제 및 위험을 줄이는 설계 전략.이러한 조치를 초기 오염 검사 (IC) 와 결합하여, SIR), 제조업체는 PCB가 시간의 시험에 견딜 수 있음을 보장 할 수 있습니다.
더 작고 더 빠르고 더 강력한 전자제품을 만들기 위한 경쟁에서 이온이탈을 방지하는 것은 뒤늦게 생각하는 것이 아니라 신뢰성 있는 설계의 기본 요소입니다.
핵심 교훈: 이온이 오염과 습기에 의해 번성하지만 엄격한 청소, 똑똑한 재료 선택, 환경 통제로 효과적으로 예방할 수 있습니다.PCB의 장기적인 성능을 보장합니다..