पीसीबी में आयन पलायनः विश्वसनीयता और उन्नत संदूषण नियंत्रण के लिए खतरे

आधुनिक पीसीबी के जटिल सर्किट्री में, जहां निशान अंतर 2 से 3 मिली के रूप में संकीर्ण हो सकता है, यहां तक कि सूक्ष्म स्तर के संदूषण भी विनाशकारी विफलताओं को ट्रिगर कर सकते हैं। 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 reliabilityयह घटना न केवल समय-समय पर खराबी का कारण बनती है; यह चिकित्सा मॉनिटर, एयरोस्पेस सिस्टम और 5 जी बेस स्टेशन जैसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में डिवाइस को पूरी तरह से बंद कर सकती है।आयनों की पलायन की प्रक्रिया को समझना, पीसीबी प्रदर्शन पर इसके प्रभाव, और नवीनतम प्रदूषण नियंत्रण रणनीतियाँ लंबे समय तक चलने वाले, उच्च विश्वसनीयता वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण के उद्देश्य से इंजीनियरों और निर्माताओं के लिए आवश्यक हैं।

आयन पलायन क्या है और यह कैसे होता है?
आयन पलायन विशेष परिस्थितियों में पीसीबी इन्सुलेशन सामग्री (सोल्डर मास्क, सब्सट्रेट) की सतह के माध्यम से या उसके पार आवेशित धातु आयनों (आमतौर पर तांबा, चांदी या टिन) का आंदोलन है।इस प्रक्रिया के लिए तीन प्रमुख कारकों की आवश्यकता होती है:
1आयनिक संदूषणः विनिर्माण से अवशेष (फ्लक्स, एचरेंट्स, हैंडलिंग ऑयल), पर्यावरण प्रदूषक (धूल, आर्द्रता) या परिचालन उप-उत्पाद (जंग, जलन)वे आयनों में विघटित हो जाते हैं.g, Cu2+, Ag+) ।
2आर्द्रताः पानी (आर्द्रता, संघनक या प्रत्यक्ष संपर्क से) एक चालक के रूप में कार्य करता है, जिससे आयनों को स्थानांतरित होने की अनुमति मिलती है। यहां तक कि 60% सापेक्ष आर्द्रता (आरएच) दूषित पीसीबी में प्रवास को सक्षम करने के लिए पर्याप्त है।
3विद्युत क्षेत्र: आसन्न निशानों के बीच वोल्टेज अंतर एक प्रेरक बल बनाता है जो आयनों को एनोड (सकारात्मक पक्ष) से कैथोड (नकारात्मक पक्ष) की ओर खींचता है।
समय के साथ, इस गति से डेंड्राइट्स ढ़लना शुरू होता है, पतले, पेड़ जैसे धातु के फिलामेंट जो निशान के बीच के अंतराल को पाटते हैं। जब एक डेंड्राइट दो कंडक्टरों को जोड़ता है, तो यह शॉर्ट सर्किट का कारण बनता है।पूर्ण पुल बनाने से पहले भी, आंशिक डेंड्राइट वृद्धि रिसाव वर्तमान को बढ़ा सकती है, सिग्नल अखंडता को कम कर सकती है, या समय-समय पर विफलता का कारण बन सकती है।

पीसीबी विश्वसनीयता पर आयन पलायन का प्रभाव
आयन पलायन के परिणाम अनुप्रयोग के अनुसार भिन्न होते हैं लेकिन अक्सर महंगे, कभी-कभी खतरनाक विफलताओं का परिणाम होते हैं।
1शॉर्ट सर्किट और विनाशकारी विफलताएं
डेंड्राइट गठन प्राथमिक जोखिम है। उदाहरण के लिएः
एक 5जी बेस स्टेशन पीसीबी 3 मिलीमीटर के निशान अंतर के साथ उच्च आर्द्रता (85% आरएच) और 30 वी पूर्वाग्रह के तहत 6 महीने में एक चालक डेंड्राइट विकसित कर सकता है।एक शॉर्टकट का कारण बनता है जो पूरे रेडियो मॉड्यूल को निष्क्रिय करता है.
b.दूषित पीसीबी वाले चिकित्सा इन्फ्यूजन पंपों में डेंड्राइट-प्रेरित शॉर्ट्स का अनुभव हुआ है, जिससे गलत खुराक वितरण हुआ है।

2सिग्नल अखंडता में गिरावट
यहां तक कि आंशिक आयन पलायन भी निशान के बीच रिसाव धारा को बढ़ाता है, जो 5 जी, रडार और आईओटी उपकरणों में उच्च आवृत्ति संकेतों (10+ GHz) को बाधित करता है। उदाहरण के लिएः
a. 100 एनए से अधिक रिसाव वर्तमान 28GHz 5G पीसीबी में सिग्नल प्रतिबिंब और मंदता का कारण बन सकता है, जिससे डेटा थ्रूपुट 30%+ तक कम हो जाता है।
b.सटीक एनालॉग सर्किट (जैसे, ईसीजी मॉनिटर) में, आयन प्रवास से प्रेरित शोर कम वोल्टेज संकेतों (≤1mV) को खराब कर सकता है, जिससे गलत रीडिंग हो सकती है।

3कम जीवन काल और अधिक रखरखाव
आयन पलायन क्षति वाले पीसीबी को अक्सर समय से पहले प्रतिस्थापित करने की आवश्यकता होती है। आईपीसी द्वारा किए गए एक अध्ययन में पाया गया कि आयन पलायन आर्द्र वातावरण (जैसे तटीय क्षेत्रों,उच्च आर्द्रता वाली औद्योगिक सुविधाएं)एयरोस्पेस प्रणालियों के लिए, यह उड़ान मनोरंजन या नेविगेशन पीसीबी के प्रतिस्थापन के लिए 100,000 डॉलर तक की बढ़ी हुई रखरखाव लागत का अनुवाद करता है।

आयनिक प्रदूषण के प्रमुख स्रोत
आयनों के पलायन को रोकने के लिए, प्रदूषण के स्रोतों की पहचान और उन्मूलन करना महत्वपूर्ण है। सबसे आम दोषियों में शामिल हैंः

1. विनिर्माण अवशेष
प्रवाह अवशेषः राल आधारित या गैर-स्वच्छ प्रवाह यदि ठीक से साफ नहीं किया जाता है तो आयनिक अवशेष (हैलाइड्स, कार्बनिक एसिड) छोड़ देते हैं। गैर-स्वच्छ प्रवाह, जबकि सुविधाजनक है, समय के साथ जमा हो सकता है,विशेष रूप से उच्च आर्द्रता वाले वातावरण में.
उत्कीर्णन और कोटिंग केमिकल्सः पीसीबी सतह पर उत्कीर्णकों (जैसे, तांबे के क्लोराइड) से क्लोराइड या कोटिंग स्नानों से सल्फेट जो पूरी तरह से धोए नहीं जाते हैं, रह सकते हैं।
तेल से निपटने के लिएः फिंगरप्रिंट में नमक (सोडियम, पोटेशियम) और फैटी एसिड होते हैं जो नमी में घुल जाते हैं, जिससे आयनिक मार्ग बनते हैं।

2. पर्यावरण प्रदूषक
आर्द्रता और पानीः उच्च आरएच (>60%) एक उत्प्रेरक है, लेकिन तरल पानी (उदाहरण के लिए, बाहरी घेरों में संघनन से) आयन आंदोलन को तेज करता है।
औद्योगिक प्रदूषक: कारखानों, रिफाइनरियों और तटीय क्षेत्रों में पीसीबी को सल्फर डाइऑक्साइड, नमक स्प्रे (NaCl) या अमोनिया के संपर्क में लाया जाता है, जो सभी संक्षारक आयन बनाते हैं।
धूल और कण: हवा में बहने वाली धूल में अक्सर खनिज (कैल्शियम, मैग्नीशियम) होते हैं जो नमी में घुल जाते हैं, जिससे आयनिक एकाग्रता बढ़ जाती है।

3परिचालन परिधान और आंसू
मिलाप जोड़ों का अपघटनः बुढ़ापे में मिलाप जोड़ों में टिन और सीसा आयनों का उत्सर्जन होता है, विशेष रूप से थर्मल साइक्लिंग (-55°C से 125°C) के तहत।
संक्षारणः तांबे के निशान या घटक लीड आर्द्र, प्रदूषित वातावरण में संक्षारण करते हैं, Cu2+ आयनों को जारी करते हैं जो पलायन को बढ़ावा देते हैं।

आयनिक संदूषण के लिए परीक्षणः जल्दी पता लगाने से लागत में बचत होती है
आयनिक संदूषण का प्रारंभिक पता लगाना आयन प्रवास को रोकने के लिए महत्वपूर्ण है। उद्योग-मानक परीक्षण पीसीबी के उपयोग में आने से पहले संदूषण के स्तर को मापते हैंः
1आयन क्रोमैटोग्राफी (आईसी)
आयनिक प्रदूषकों की मात्रा के लिए स्वर्ण मानक, आईसी डीआई पानी का उपयोग करके पीसीबी सतह से अवशेषों को निकालता है, फिर विशिष्ट आयनों (क्लोराइड, सल्फेट, सोडियम) के लिए समाधान का विश्लेषण करता है।
प्रक्रियाः पीसीबी को प्रदूषकों को भंग करने के लिए एक घंटे के लिए गर्म डीआई पानी (75 डिग्री सेल्सियस) में डुबोया जाता है। अर्क को आयन क्रोमैटोग्राफ में इंजेक्ट किया जाता है, जो आयनों की पहचान और मात्रा निर्धारित करता है।
स्वीकृति मानदंड: IPC-TM-650 2.3.28 उच्च विश्वसनीयता वाले पीसीबी (वर्ग 3) के लिए अधिकतम 1.56μg/cm2 (NaCl समकक्ष) निर्दिष्ट करता है।

2चालकता परीक्षण (ROSE परीक्षण)
एक तेज़ और कम खर्चीला विकल्प, सॉल्वेंट एक्सट्रैक्ट (ROSE) की प्रतिरोधकता परीक्षण, एक्सट्रैक्ट समाधान की चालकता को मापता है। उच्च चालकता अधिक आयनिक संदूषण का संकेत देती है।
प्रक्रिया: आईसी के समान, लेकिन विशिष्ट आयनों के बजाय अर्क की चालकता (μS/cm में) को मापा जाता है।
सीमाएँः आयन प्रकारों की पहचान नहीं करता है, लेकिन एक त्वरित पास/फेल परिणाम प्रदान करता है।
स्वीकृति मानदंडः वर्ग 3 पीसीबी के लिए ≤1.5μS/cm.

3सतह इन्सुलेशन प्रतिरोध (SIR) परीक्षण
एसआईआर परीक्षण से पता चलता है कि पीसीबी परिचालन परिस्थितियों में आयन प्रवास का कितना प्रतिरोध करता है। यह दीर्घकालिक विश्वसनीयता की भविष्यवाणी करने का सबसे सीधा तरीका है।
सेटअपः परीक्षण पैटर्न वाले पीसीबी (२५ मिलीलीटर के अंतर के साथ कंघी संरचनाएं) को उच्च आर्द्रता (८५% आरएच) और वोल्टेज पूर्वाग्रह (५०१०० वी) के अधीन १,०००+ घंटों के लिए रखा जाता है।
मापनः निशानों के बीच इन्सुलेशन प्रतिरोध की निगरानी की जाती है; 108Ω से नीचे की गिरावट महत्वपूर्ण आयन पलायन जोखिम का संकेत देती है।
महत्वपूर्ण के लिएः एयरोस्पेस, चिकित्सा और ऑटोमोटिव पीसीबी जहां विफलता महंगी है।

प्रदूषण नियंत्रण रणनीतियाँ: आयन प्रवास को रोकना
प्रभावी प्रदूषण नियंत्रण के लिए एक बहुस्तरीय दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है, जिसमें विनिर्माण की सर्वोत्तम प्रथाओं, सामग्री चयन और पर्यावरण संरक्षण का संयोजन होता है।
1विनिर्माण के दौरान कठोर सफाई
फ्लक्स के बाद की सफाईः उच्च विश्वसनीयता वाले पीसीबी के लिए, फ्लक्स अवशेषों को हटाने के लिए जलीय सफाई (डिआयोनाइज्ड पानी और हल्के डिटर्जेंट के साथ) या अल्ट्रासोनिक सफाई का उपयोग करें।नमी या महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए केवल नॉन-क्लीन फ्लक्स पर भरोसा करने से बचें.
पर्याप्त कुल्ला करना: उत्कीर्णन, प्लाटिंग या मिलाप के बाद, रासायनिक अवशेषों को खत्म करने के लिए बहु-चरण डीआई पानी कुल्ला (18 एमओएच-सेमी शुद्धता) का उपयोग करें।अंतिम कुल्ला में <5ppm कुल भंग ठोस पदार्थ (टीडीएस) होना चाहिए.
क्लीनरूम हैंडलिंगः धूल और फिंगरप्रिंट संदूषण को कम करने के लिए आईएसओ 8 या बेहतर क्लीनरूम में पीसीबी को संसाधित करें। दस्ताने का उपयोग लागू करें (नाइट्राइल, लेटेक्स नहीं, जो कणों को फेंकता है) ।

2दूषित होने से बचने के लिए सामग्री का चयन
सोल्डर मास्कः कम पानी अवशोषण (<0.1%) और रासायनिक प्रतिरोध के साथ उच्च प्रदर्शन वाले सोल्डर मास्क चुनें (उदाहरण के लिए, Taiyo PSR-4000 जैसे एपॉक्सी-आधारित मास्क) ।ये नमी के प्रवेश का विरोध करते हैं और मास्क के माध्यम से आयन प्रवास को रोकते हैं.
सब्सट्रेट: उच्च-Tg FR-4 या PTFE सब्सट्रेट (उच्च आवृत्ति डिजाइनों के लिए) में मानक FR-4 की तुलना में बेहतर नमी प्रतिरोध होता है, जिससे आयन परिवहन मार्ग कम हो जाते हैं।
अनुरूप कोटिंग्सः कठोर वातावरण में पीसीबी के लिए, सतह को सील करने के लिए एक अनुरूप कोटिंग (सिलिकॉन, एक्रिलिक या पैरीलीन) लागू करें, नमी और प्रदूषकों को अवरुद्ध करें।अपने पिनहोल मुक्त कवरेज के साथ, विशेष रूप से चिकित्सा उपकरणों के लिए प्रभावी है।

3परिचालन में पर्यावरण नियंत्रण
आर्द्रता प्रबंधनः बाहरी या औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए पीसीबी को सील किए गए घेरों में सूखा पदार्थों या जलवायु नियंत्रण के साथ (आरएच <50%) बनाए रखें।
संक्षारण अवरोधक: वायु प्रदूषण (जैसे सल्फर डाइऑक्साइड, नमक) को बेअसर करने के लिए बाड़े में वाष्प-चरण संक्षारण अवरोधक (वीसीआई) का प्रयोग करें।
नियमित रखरखावः लंबे जीवन के उपकरणों (उदाहरण के लिए, पवन टरबाइन नियंत्रक) के लिए, सतह प्रदूषकों को हटाने के लिए आइसोप्रोपाइल अल्कोहल (आईपीए) के साथ आवधिक सफाई की योजना बनाएं।

4प्रवासन जोखिम को कम करने के लिए डिजाइन
बढ़ी हुई ट्रेस स्पेसिंगः जहां संभव हो, ट्रेस स्पेसिंग के साथ डिजाइन करें >5 mils डेंड्राइट विकास को धीमा करने के लिए। यह विशेष रूप से उच्च वोल्टेज पीसीबी (> 24V) के लिए महत्वपूर्ण है।
गार्ड रिंग्सः संकेत पथों से दूर आयनों को विचलित करने के लिए संवेदनशील निशानों के चारों ओर जमी हुई तांबे की छल्ले जोड़ें।
नंगे तांबे पर सोल्डर मास्क (एसएमओबीसी): आयन प्रवास मार्गों को अवरुद्ध करने के लिए निशानों के बीच पूर्ण सोल्डर मास्क कवरेज सुनिश्चित करें।

केस स्टडी: मेडिकल उपकरणों में आयन प्रवास को समाप्त करना
पोर्टेबल ईसीजी मॉनिटरों के एक निर्माता को आयन माइग्रेशन से प्रेरित शॉर्ट्स के कारण बार-बार फील्ड विफलताओं (20% 12 महीने के भीतर) का सामना करना पड़ा। मूल कारण विश्लेषण से पता चलाः
कोई शुद्ध प्रवाह अवशेष नहीं (क्लोराइड स्तर >3μg/cm2, आईपीसी सीमाओं से अधिक) ।
नैदानिक वातावरण में उच्च आर्द्रता (65~70% आरएच)
ईसीजी सिग्नल पथ में 3 मिलीमीटर का अंतर।
लागू किए गए समाधान:
1.अशुद्ध प्रवाह से जलीय-स्वच्छ प्रवाह में स्विच किया गया, अल्ट्रासोनिक सफाई के साथ स्वैप के बाद।
2पीसीबी सतह को सील करने के लिए पैरीलीन सी अनुरूप कोटिंग लगाई गई।
3.. महत्वपूर्ण मार्गों में निशान अंतर 6 मिलीमीटर तक बढ़ाया गया है.
परिणाम:
आयन क्रोमैटोग्राफी परीक्षणों से पता चला कि क्लोराइड का स्तर < 0.5μg/cm2 तक गिर गया।
24 महीनों के दौरान फील्ड विफलता < 1% तक कम हो गई।
85% आरएच/50वी पूर्वाग्रह के तहत एसआईआर परीक्षण में 1000 घंटों में इन्सुलेशन प्रतिरोध में कोई गिरावट नहीं आई।

आयन माइग्रेशन बनाम अन्य विफलता मोड
आयन पलायन को अक्सर अन्य पीसीबी विफलता तंत्र के साथ भ्रमित किया जाता है, लेकिन प्रमुख अंतर मौजूद हैंः

इन मतभेदों को समझने से मूल कारणों का विश्लेषण करने में मदद मिलती है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
प्रश्न: क्या आयनों की पलायन का पता लगाने के बाद इसे उलट दिया जा सकता है?
उत्तर: नहीं. डेंड्राइट्स और आयनिक प्रदूषण स्थायी क्षति का कारण बनते हैं. प्रारंभिक परीक्षण और नियंत्रण के माध्यम से रोकथाम एकमात्र समाधान है।

प्रश्न: क्या सभी पीसीबी के लिए अनुरूप कोटिंग आवश्यक है?
उत्तरः नहीं, लेकिन यह नम (> 50% आरएच), प्रदूषित या बाहरी वातावरण में पीसीबी के लिए अत्यधिक अनुशंसित है। नियंत्रित वातावरण में उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स को इसकी आवश्यकता नहीं हो सकती है।

प्रश्न: एसआईआर परीक्षण कितनी बार किया जाना चाहिए?
उत्तरः नए डिजाइनों के लिए, योग्यता के दौरान SIR परीक्षण महत्वपूर्ण है। उच्च मात्रा में उत्पादन के लिए, प्रक्रिया स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए त्रैमासिक नमूनाकरण की सिफारिश की जाती है।

प्रश्न: क्या सीसा रहित मिलाप आयनों के पलायन के जोखिम को बढ़ाता है?
उत्तरः सीसा मुक्त मिलाप (जैसे, SAC305) थर्मल साइक्लिंग के तहत सीसा युक्त मिलाप की तुलना में अधिक टिन आयनों को मुक्त कर सकता है, लेकिन उचित सफाई और अनुरूप कोटिंग इस जोखिम को कम करती है।

निष्कर्ष
आयन पलायन पीसीबी की विश्वसनीयता के लिए एक मौन लेकिन महत्वपूर्ण खतरा है, जो संदूषण, आर्द्रता और वोल्टेज से प्रेरित है।इसका प्रभाव √ शार्ट सर्किट से लेकर सिग्नल के बिगड़ने तक इसे चिकित्सा क्षेत्र में उच्च विश्वसनीयता वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक प्रमुख चिंता का विषय बनाता है।, एयरोस्पेस और 5जी अनुप्रयोगों।
आयनों के पलायन को रोकने के लिए एक सक्रिय दृष्टिकोण की आवश्यकता होती हैः विनिर्माण के दौरान कठोर सफाई, सावधानीपूर्वक सामग्री चयन, पर्यावरण नियंत्रण और डिजाइन रणनीतियाँ जो जोखिम को कम करती हैं।इन उपायों को प्रारंभिक संदूषण परीक्षण (आईसी) के साथ जोड़कर, SIR), निर्माता यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि उनके पीसीबी समय के परीक्षण का सामना करें।
छोटे, तेज़ और अधिक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने की दौड़ में आयनों के पलायन को रोकना बाद की बात नहीं है, यह विश्वसनीय डिजाइन का एक बुनियादी तत्व है।
मुख्य बातः आयनों का पलायन प्रदूषण और नमी से होता है, लेकिन सख्त सफाई, स्मार्ट सामग्री विकल्प और पर्यावरण नियंत्रण से इसे प्रभावी ढंग से रोका जा सकता है,पीसीबी के दीर्घकालिक प्रदर्शन को सुनिश्चित करना.