SAVUN JA KOSTEUDEN VAIKUTUS ELEKTRONIIKKAPIIREIHIN TIIVISTELMÄ Johan Mang & Olavi Keki-Rahkonen VTT Rakenn- ja yhdykntatekniikka PL 803, 02044 VTT Savn, koteden ekä näiden yhteitä äkillitä vaiktta elektroniikkapiireihin on ttkitt FINNUS-ohjelman palotrvallittkimprojektia (FISRE) voina 999-2002. Todellinen piirikortti ekä mallipiirejä, johdelikojen modotamia kampakvioita ekä yhdenntainen reikälevypari, altitettiin joko pelkätään avlle tai kotedelle tai molemmille yhtä aikaa. Pelkkä kote aihetti amanrita erityvatken vähentymitä kin pelkkä av. Kote ja av yhdeä aihettivat elväti remman erityvatken häviön. Sekä kote ykinään että yhdeä avn kana aihettivat läpilyönnin kampakvioia ja oikoln. Savhikkaten laketmita ekä avn ja koteden vaiktta kampakvioiden erityvatkeen kvaavia malleja on työä myö ehdotett. JOHDANTO Sav on kaamaiten palamitotteiden ja pienten nete- tai jähmeiden hikkaten eo, aerooli, jonka kemiallinen kootm ja hikkakokojakama riipp palaneeta materiaalita ja ympäritöolohteita. Pääoa hikkaita (noeta) on hiiltä. Sav (noki) keräytyy laketmalla tai milla proeeilla pinnoille ja modotaa ähköieti johtavan kalvon, joka aattaa häiritä herkkiä elektroniia piirejä. Tlipaloympäritöä ri kote voi yntyä eraavita yitä tai niiden yhditelmätä: kote tlipalon palamitotteena, avtletkeen käytetyn ilman ri kote ja palontorjnnaa käytetyn ammtveden toma kote. Kote honontaa ähköiten virtapiirien toimintaa, illä pintojen likaantminen koteaa ilmaa heikentää homattavati vierekkäiten johtimien erityvatta. Kote kavattaa reti avn aihettamaa vahinkoa elektroniikkapiireihin []. Koteaa ilmaa vei yhdityy oloihin (eim. ZnCl 2 ), jotka modotvat, kn avn happamat kaat ja elektroniikan mekaaniea rakenteea tai jotokia olevat metallit, kten lyijy ja inkki, reagoivat kekenään. Näiden olalioten ähkönjohtav aattaa olla korkeampi kin pelkän olan kivaa ympäritöä tai kotean ympäritön ilman ava []. Sav vahvitaa iten koteden vaiktta votovirtoja kavattaen. KOKEITA Kokeet oritettiin mnneta tandardiavkaapia [2, 3]. Mallipiirejä, johdelikojen modotamia kampakvioita ekä yhdenntainen reikälevypari (kva ), altitettiin joko pelkätään avlle tai kotedelle tai molemmille yhtä aikaa. Sava tehtiin kartioäteilijällä lämmitetytä kytevätä PVC-movinäytteetä avkaapia ja kotekokeia veihöyryä johdettiin avkaappiin ähkövatkella lämmitetytä atiata. Kampakviot olivat kokeia tarkoitkella paljaat ilman ojapinnoitetta. Yki koe oritettiin kapallien ohjajärjetelmän piirikortilla.
a) b) Kva. Elektroniia mallipiirejä joita altitettiin joko pelkätään avlle tai kotedelle tai molemmille yhtä aikaa. a) johdelikojen modotamia kampakvioita ja b) yhdenntainen reikälevypari. Savkaapia tehtiin eraavat mittaket: Savn tihey polykromaattien valon vaimennketa, jota aa avn maapitoiden Erityvat Kote Säteilytetyn PVC-movinäytteen maa Savn lakema almiinikalvoille Lämpötiloja Kaajen pitoikia Kvaa 2 eitetään koelaitteito kaavamaieti ekä kokeiden aikajana. 2
Aika (h:min) 0 0:0 0:5 :00 :05 2:00 On Ei Veihöyryn yöttö On Ei S l j e t t T l e t Sähköiet mittaket Koe alkaa On Savkaappi Kartioäteilijä Almiinikalvot poi Koe päättyy a) b) Kva 2. a) Koejärjetely avkaapia kaavamaieti, edetä. EC elektroninen mallipiiri, RC kartioäteilijä, LC vaaka, CS kaapelinäyte, OD optien tiheyden mitta valon vaimenemieta, SD avn lakeman mitta pyty- ja vaakakalvoita, T...T3 ja T5 kaan lämpötiloja, T4 piirilevyn pintalämpötila, TW avkaapin einän lämpötila, RH hteellinen kote, G kaanäytteen otto, W veihöyryn yöttö. b) Kokeiden aikajana. TULOKSIA Altitken vaikt kampakvioihin ja kapallieen piirikorttiin Altitminen pelkätään kytevän PVC-kaapelin vaippanäytteen avlle aihetti rimmillaan 2...4 dekadin pdotken kampakvioiden erityvatkea (kva 3a). Altitminen pelkätään kotedelle aihetti amanrien erityvatken makimipdotken, 3...3,5 dekadia (kva 3b). Kote pelkätään vaiktti yhdeä kokeea hyvin voimakkaati piirilevymateriaaliin johtaen läpilyöntiin 50 min veihöyryn yötön alkamieta, ja lopllieti oikolkn (kva 3b). Kyeinen piiri oli altitnt aikaiemmin pelkälle avlle kokeea ilman oikolka. Altitminen pelkälle kotedelle ei aihettant oikolka aiemmin altitmattomaa piirilevyä, mtta kampakvion erityvat palati honoti tletken jälkeen. Sama piirikortti altitettiin koteden ja avn yhditelmälle eraavaa kokeea, jolloin läpilyönti tapahti 40,8 min veihöyryn yötön ja kaapelinäytteen äteilytyken alkamieta (kva 3c). Altitminen ekä kotedelle että avlle aihetti 5 dekadin makimipdotken erityvatkea ennen läpilyöntiä (kva 3c). Altitminen pelkätään avlle ei aihettant oleelliia mtokia kapallien piirikortin erityvatkea riittävätä ojapinnoitketa johten (kva 3d). 3
Erityvat (ohm) E4 E3 E E9 Koe3, 999, av E8 0 20 40 60 80 00 20 0,7 mm 0,5 mm 0,3 mm 0,2 mm a) Erityvat (ohm) E4 E8 E6 Koe, 3.5.2002, kote E4 0 20 40 60 80 00 b) Koe 5, 7.5.2002, kote + av Erityvat (Ohm) E4 E8 E6 E4 0 20 40 60 80 00 20 Erityvat (Ohm) c) Kva 3. Altitken vaikt kampakvioiden erityvatkeen, a) 0,2 mm - 0,7 mm kvioiden altit avlle, b) 0,2 mm kvion altit kotedelle, läpilyönti alkaa 55 min kohdalla, c) 0,2 mm kvion altit kotedelle ja avlle, läpilyönti alkaa 45,8 min kohdalla ja d) kapallien piirikortin altit pelkälle avlle. Kaapelinäytteen äteilyty ja/tai altit kotedelle alkaa 5 min kohdalla (noli). Altitken vaikt yhdenntaieen reikälevypariin Altitminen pelkätään kytevän PVC-kaapelin vaippanäytteen avlle aihetti rimmillaan 0,5... dekadin pdotken yhdenntaien reikälevyparin erityvatkea (kva 4a). Kote ykinään aihetti vataavati noin yhden dekadin erityvatken pdotken (kva 4b). Altitminen ekä kotedelle että avlle kavatti erityvatken makimipdotken kahteen dekadiin (kva 4c). Kaapelin erityvaipata otett näyte yttyi palamaan liekillä yhdeä kokeea ja totti paljon enemmän nokea mihin kokeiiin verrattna. Tämä aihetti nokiviikien kavamien reikälevyjen väliin, minkä johdota erityvat heikkeni viii dekadia (kva 4d). Viikien kav oli paljon voimakkaampi ja nopeampi liekehtivän palon aikana kin kytevän palon, mikä aattaa vaikttaa homattavati ähkömekaaniiin laitteiiin. d) 4
Koe 8, 29.2.2000, av Koe 2, 4.5.2002, kote Erityvat (ohm) E3 E 0 20 40 60 80 00 20 a) Koe 3, 5.5.2002, kote + av Erityvat (ohm) E3 E 0 20 40 60 80 00 20 40 b) Koe 6, 20.5.2002, kote + av Erityvat (Ohm) E Erityvat (Ohm) E E9 E8 E7 PVC-näytteen yttyminen ja liekehtivä palo E9 0 20 40 60 80 00 20 E6 0 20 40 60 80 00 20 c) d) Kva 4. Altitken vaikt yhdenntaien reikälevyparin erityvatkeen, a) altit avlle, b) altit kotedelle, kokeen lopa on todennäköieti ollt häiriöitä erityvatmittakea ja liian ria mittaarvoja, c) altit ekä kotedelle että avlle ja d) altit ekä kotedelle että avlle ja PVC-näytteen yttyminen liekehtivään paloon. Kaapelinäytteen äteilyty ja/tai altit kotedelle alkaa 5 min kohdalla (noli). TEOREETTISIA MALLEJA Koaglaatiomalli Savhikkailla on jatkva kokojakama. Kokeen aikana hikkaten lkmäärä vaihtelee jatkvati. Savhikkaten laketmielle eitetään tää dynaamita mallia oveltaen vanhaa Schmolkowkin teoriaa. Malli ottaa koaglaation homioon ja elittää ainakin kvalitatiivieti avn tiheyden aikakäyttäytymitä kokeen aikana: dn n 2 dne + + Γ n = ; 0 t t dt τ dt dn2 n2 2 + + Γ n2 = 0; t t dt τ miä n i on avn hikkaten lkmäärätihey, t on äteilytyken päättymiaika, Γ on koaglaation nopevakio, τ on lakeman aikavakio ja n e kaapelinäytteetä lähtevien avhikkaten lkmäärätihey. Yhtälöiden () mkaiia käyriä ovitettiin koetlokiin, jolloin yhteenopiv oli melko hyvä (kva 5). Koka äteilytykartion kmeneminen vaati () 5
jonkin verran aikaa, teoreettien käyrän nollakohtaa pitäii iirtää noin 00 oikealle kvaa 5, jotta mallin oletket oliivat täyin voimaa. Silloin myö ovite olii paljon parempi kokeen alkvaiheea. Yhteenopiv on niin hyvä, että teoreettita ja kokeellita käyrää ei erota enää toiitaan 0 min jälkeen. Maapitoi concentration (g/m3) 3 ) 2.5 2.0.5.0 0.5 0.0 Koe Exp 3 3 0 600 200 800 2400 3000 3600 Aika Time () () Kva 5. Yhtälöiden () mkaien mallin ovit (yhtenäinen viiva) avn maapitoiden koetlokeen (piteet). Noen ominaivatken malli Noen erityvatken (kva 3) ymmärtämieki on eitetty ykinkertainen malli (kva 6). Nokilakema oletetaan (heikoti) johtavaki kerrokeki. Erityvatken heikkenemien yy on ohminen johtminen piirikortin kampakvion johtimien väliin laketneen noen katta. w l johdin R C R PCB R C R johtimia R C2 d C d S 2 nokikerro ojapinnoite johdin 2 d PCB piirilevy Kva 6. Sähkön johtminen ojapinnoitetlla piirilevyllä jonka päällä on nokikerro (vaemmalla) ja vatten rinnakkaikytkentä vatinpiiriä (oikealla). Kampakvioiden mitatt erityvat R on phtaan piirilevyn erityvat R PCB ja noen vat R S rinnan. Nokilakeman pakden d (t) ja noen ominaivatken ρ hde on 6
d = ρ nl R R PCB (2) miä l on johtimien pit, on johtimien välinen vakioetäiyy ja n on nokikaitaleiden lkmäärä johtimien väliä. Kokeelliet d/ρ-hteet ja kekimääräiet nokilakemat antavat noen tehollien ominaivatken 0 6 Ωm. Tilanteea miä on kaki rinnakkaita johdinta ohen ojapinnoitteen (kva 6) alla mahdolliet johtmireitit ja vataavat vatket ovat piirilevymateriaalin läpi, R PCB johtimien välien ojapinnoitteen läpi, R C johtimen päällä olevan ojapinnoitteen, nokikerroken ja johtimen päällä olevan ojapinnoitteen läpi, arjaan kytkettynä R C + R S + R C2 Mitatt vat R on näiden vatten rinnankytkentä R = R PCB + R C + R C + R + R C 2 l d = ρ PCB PCB l dc + ρ C + dc 2ρC + ρ l w ld (3) miä ρ PCB B ja ρc ovat piirilevyn ja ojapinnoitteen ominaivat, d PCBB ja d C piirilevyn ja ojapinnoitteen pak ja w johtimen levey. Sojapinnoitteen vaikt tarkatellaan tää rlokka-arviona. Talkoa eitetään aineparametreja. Johtimen levey w = 0, mm, johtimien välinen etäiyy = 0, mm ja johtimen pit l = 0 mm oletetaan tyypilliiki mitoiki. Lkarvoja ijoittamalla aadaan talkoa eitettyjä vatarvoja (yhtälö (3)). Homataan, että ojapinnoite etää tehokkaati votovirtoja johtavaan nokikerrokeen. Talkko. Piirilevyn, ojapinnoitteen (kirjallideta) ja noen (koetlokita) ominaivatken ρ ja pakden d tyypilliiä arvoja ekä lakettja vatkia (vrt. tekti). ρ (Ωm) d (m) Vat (Ω) Piirilevy 0 2 0 3 0-3 R PCB ~ 0 3 0 4 Sojapinnoite 0 3 0 5 0-5 R C ~0 6 0 8 R C ~0 4 0 6 Noki 0 6 0-6 R ~0 0 Malli koteden vaiktkelle kampakvioiden erityvatkeen Kokeia havaittiin elvä vataav kampakvioiden erityvatken ja hteellien koteden välillä. Koteden vaikt kampakvioiden erityvatkeen mallinnettiin käyttämällä Comizzolin [4] eittämää yhteyttä ja olettamalla ohminen vat johtimien välillä. 7
Erityvatken R riippv hteellieta kotedeta RH (%) ja lämpötilata T on illoin motoa R = R exp( A. RH )exp( B / ) (4) 0 T miä R o, A ja B ovat ovitparametreja ilman fyikaalita tlkintaa. Ainoa pertel ovitparametrien valinnalle on ovitken ilmämääräinen yhteenopiv mittatlokeen. Kvan 7 mallikäyrän yhteenopiv koetlokeen on varin hyvä. E4 Koe, 3.5.2002, kote Erityvat (ohm) E8 Malli E6 Koe E4 0 20 40 60 80 00 R 0 = x 0 2 Ω A = 0,3 B = 400 K Kva 7. Koteden vaiktken mallin (yhtälö 4) ovit kampakvion erityvatmittakeen. Altit kotedelle alkaa 5 min kohdalla (noli). JOHTOPÄÄTÖKSET Kokeia on mitatt pelkän koteden tai pelkän avn ekä avn ja koteden yhteivaiktta kampakvioihin ja yhdenntaieen reikälevypariin, ekä pelkän avn vaiktta kapallien ohjajärjetelmän piirikorttiin. Sekä kote ykinään että av ykinään heikeni ojaamattoman kampakvion erityvatta elväti, noin kolme dekadia. Koteden ja avn yhteivaikt oli vielä rempi, noin viiden dekadin heikenny erityvatkea. Sähköinen läpilyönti ja oikolk ojaamattomaa kampakvioa eiintyi kahdea kokeea, toinen pelkällä kotealtitkella ja toinen koteden ja avn yhteialtitkella. Kapallien ohjajärjetelmän piirikortin erityvatkea ei havaitt oleelliia mtokia riittävän ojapinnoitteen aniota. Kote ykinään aihetti amanrien yhdenntaien reikälevyparin erityvatken pienenemien kin av ykinään, noin yhden dekadin. Altitminen ekä kotedelle että avlle aihetti kahden dekadin vähenemien. 8
Kaapelivaippanäytteen liekehtiminen ja ren nokitoton yhdeä kokeea aihetti nokiviikien kavamien yhdenntaiten reikälevyjen väliin ja erityvatken viiden dekadin heikkenemien. Viikien kav oli paljon voimakkaampi ja nopeampi liekehtivän palon aikana kin kytevän palon, mikä aattaa vaikttaa homattavati ähkömekaaniiin laitteiiin. Tloket viittaavat iihen, että liekehtivän palon ja nokiviikien kavamien liättkim on pertelt. Malleja on eitetty avn laketmielle, noen ominaivatkelle ja koteden vaiktkelle kampakvioiden erityvatkeen. KIITOKSET Ttkimken rahoittajina ovat olleet Fortm Engineering Ltd, Kappa- ja teolliminiteriö, Säteilytrvakek ekä Teolliden Voima Oy. Kiitämme Hemmo Jtilaita avta mittakia ja avkaapin käytöä ekä Mika Letonaarta avta kapallien piirikortin erityvatken mittakia. LÄHDELUETTELO. Tanaka, T.J. & Nowlen, S.P. Relt and Inight on the Impact of Smoke on Digital Intrmentation and Control. Albqerqe, NM: Sandia National Laboratorie. NUREG/CR- 6597, SAND99.320, U.S. Nclear Reglatory Comiion, Wahington, DC, 200. 4. 2. Gro, D., Loft, J. J. & Roberton, A.F. Method for Mearing Smoke from Brning Material, ASTM STP 422, 967. S. 66-204. 3. ISO 5659-2:994. Platic - Smoke generation - Part 2: Determination of optical denity by a ingle-chamber tet. Geneva: International Organization for Standardization, 994. 29. 4. Comizzoli, R.B.Srface condctance on inlator in preence of water vapor. Material development in microelectronic packaging; performance and reliability, Proceeding of the forth electronic material and proceing congre. 99. S. 3-36 9