电路板表面电化学迁移监视系统和方法与流程

本发明涉及电子产品可靠性与环境试验，尤其涉及一种电路板表面电化学迁移监视系统和方法。

背景技术：

1、电化学迁移是一种电化学现象。在一定的大气温湿度条件下，电路板表面会凝聚电解质液膜，在偏置电源的电场作用下，线路或焊点的阳极发生金属溶解。溶解产生的金属阳离子在电场作用下向阴极迁移，并在阴极发生还原沉积，逐渐形成树枝状金属沉积物，称为“枝晶”。当枝晶接触到阳极时，会发生绝缘下降乃至短路，微电子器件所在的电路就会出现功能故障。

2、电化学迁移是电子元器件在电场与环境作用下发生的一种常见失效形式。随着电子电路和元器件的集成化、小型化，电子元器件相互间距急剧减小。即使工作电压只有几伏特，其电场强度仍可达100～1000v/cm，电化学迁移更加容易发生。

3、电力自动化装置内的电路板为满足绿色无铅的要求，生产时普遍采取了无铅焊接、助焊剂免清工艺。为增强电路板的耐候性，电路板一般带有三防涂覆。但我国南方地区气候湿热，沿海地区变电站或海上风电集控站的大气中含有盐雾，燃煤电厂附近的大气中二氧化硫浓度较高。

4、处于以上环境下的电力自动化装置，电化学迁移是其主要的失效模式之一。如果因制造工艺波动，电路板存在助焊剂残留物超标、三防涂覆厚度局部不达标等缺陷，则长期运行后发生电化学迁移的可能性较大，短路将引发整个设备的功能紊乱直至造成严重的后果。由于电力自动化装置一般要运行12年上才会退役，所以目前电力自动化装置中电路板表面电化学迁移的监视，设备的耐候性评价、设备的剩余寿命评估是一个热门领域。

5、在电力自动化领域，目前对电路板抗电化学迁移能力的评价，一是制造商在制定pcba(printed circuit board assembly)方案时对单板进行工艺实验，二是在型式试验时对整机进行湿热试验。两种实验均属于离线评价，没有对每台装置进行，因而忽略了原料参数波动和工艺环节指标偏差所造成的个体差异，也未体现设备运行环境差异对电迁移发展程度的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决背景技术中的至少一个技术问题，提供一种电路板表面电化学迁移监视系统和方法。

2、为实现上述目的，本发明提供一种电路板表面电化学迁移监视系统，包括：

3、直流电源，作为电路板的工作电源；

4、梳状焊盘，输入端连接所述直流电源的正端；

5、信号调理电路，输入端连接所述梳状焊盘的输出端和所述直流电源的负端；

6、a/d采样电路，输入端连接所述信号调理电路的输出端；

7、mcu，控制所述a/d采样电路采集信号调理电路输出的直流电压，根据当前直流电压计算当前阻值，判断电化学迁移程度。

8、根据本发明的一个方面，所述直流电源的电压为12v～24v。

9、根据本发明的一个方面，所述梳状焊盘中相互平行的导线的组数为5组～40组，所述导线的长度为5mm～50mm，各所述导线之间的间距为0.16mm～0.64mm。

10、根据本发明的一个方面，所述梳状焊盘的基底金属为铜，表面处理为喷锡、化学镍金或电镀金；

11、所述梳状焊盘刷焊膏后经回流焊，焊后和主电路一起进行三防涂覆。

12、根据本发明的一个方面，所述信号调理电路包括运放反相放大器和电阻，其中，所述运放反相放大器将0.1m～50m欧表面绝缘电阻转换为0v～2v直流电压。

13、根据本发明的一个方面，所述mcu控制所述a/d采样电路周期性采集电压信号，计算出当前的绝缘电阻并经平滑滤波后，每分钟对绝缘电阻的阻值与报警阈值比较一次，当绝缘电阻降低至初始电阻的10％～20％或绝对电阻值小于0.5m～1m欧时，所述mcu报警并记录当前绝缘电阻的阻值。

14、根据本发明的一个方面，未发生电化学迁移时，所述梳状焊盘的等效绝缘电阻>100mω，发生电化学迁移后，所述梳状焊盘的等效绝缘电阻≤1mω。

15、为实现上述目的，本发明还提供一种电路板表面电化学迁移监视方法，包括：

16、设置绝缘电阻的报警阈值；

17、mcu控制a/d采样电路采集电压信号，计算出当前的绝缘电阻并进行平滑滤波；

18、mcu对绝缘电阻的阻值与所述报警阈值进行比对，若绝缘电阻的阻值低于报警阈值时，则报警并记录绝缘电阻的阻值，若绝缘电阻的阻值在报警阈值以上，则延时后进入下一周期。

19、根据本发明的一个方面，所述mcu控制a/d采样电路周期性采集电压信号；所述mcu对绝缘电阻的阻值与报警阈值进行周期性比对。

20、根据本发明的一个方面，所述mcu控制a/d采样电路采集16次电压信号，每次间隔20ms；

21、所述mcu在24小时内连续5次监视到绝缘电阻的阻值低于报警阈值时报警，否则延时60秒后进入下一周期。

22、根据本发明的一个方案，本发明的电路板表面电化学迁移监视系统结构清晰，监视电路可灵活布置于电路板上的边角空间，具有简单、通用易于推广的特点，监视焊盘(梳状焊盘)与主电路在材料、焊接工艺和三防涂覆上完全相同，对电路板的电化学迁移的感知准确。mcu感知绝缘电阻降低后发出报警，提示运维人员干预，可提升电力自动化设备的精准运维水平，节省人力成本和费用。

23、根据本发明的一个方案，本发明电力自动化装置中电路板表面电化学迁移监视方法，在梳状焊盘叠加直流偏置电压感知电路板表面电化学迁移的累积程度。运放放大电路(信号调理电路)根据焊盘的绝缘电阻输出相应的直流电压供a/d采集，mcu根据此电压推算出当前阻值。当绝缘电阻降低情况满足报警时，mcu发出报警信息并记录电阻阻值。

24、根据本发明的一个方案，本发明针对电力自动化装置中电路板表面的电化学迁移，提供了一种在线监视系统和方法。其中方法利用电路板的工作电源充当电化学迁移的偏置电源，硬件电路可灵活布置于电路板上的边角空间，具有简单、通用易于推广的特点。

25、根据本发明的一个方案，本发明中用于监视的梳状焊盘与主电路在材料、焊接和加工工艺上同源，可准确反映环境因素和加工工艺波动所造成的个体偏差，在电路板的剩余寿命评估和腐蚀程度感知上，具有准确、灵敏的特点。mcu报警后，运维人员可在实验室中，通过显微镜观察监视焊盘枝晶的生长情况，确认电路板的电化学迁移程度。

26、根据本发明的一个方案，本发明可精确、自动地计算出绝缘电阻的数值，报警逻辑满足后可发出告警信号提示运维人员干预。有助于将电力自动化设备的定期维护/更换，改进为根据实际情况进行精准运维，节省人力成本和费用。

27、根据本发明的一个方案，本发明通过在线测量梳状焊盘的绝缘电阻，实现电力自动化装置中电路板表面电化学迁移的监视与异常报警，方法既可用于电力自动化装置长时间运行后电路板寿命衰减评价，也可用于装置耐候性高温高湿加速试验。

28、根据本发明的方案，整个监测系统的结构简单、通用性强；监视回路占据的布板面积小，可灵活布置于电路板上的空闲位置，梳状焊盘对电化学腐蚀的监视准确、灵敏。监视电路与主功能电路的耦合程度低、易于实现，推广后有助于降低设备的运维成本，有着良好的应用前景。

29、根据本发明的方案，本发明在线对电路板表面电化学迁移进行监测评价，可以针对原料参数波动和工艺环节指标偏差所造成的个体差异进行精准测评，体现了设备运行环境差异对电迁移发展程度的影响。