隨著電子技術的發展，電路板上的器件引腳間距越來越小，器件排列更加密集，電場梯度更大，這都使得電路板對腐蝕更為敏感。另一方面，電路板應用環境的拓展和產品可靠性壽命要求的不斷增加，使得電路板發生腐蝕失效的風險不斷增加。

 

      其中大氣環境作為電路板腐蝕發生的外部條件，大氣污染物在產品腐蝕發生的過程中扮演了重要角色。由于與大氣污染物相關的故障通常在電子產品使用一段時間后才能顯現出來，這意味著一旦發生了腐蝕引起的故障，相同環境下相同使用年限的產品將進入故障集中爆發期。同時污染對電子產品的影響是不可逆的，會對維修造成很大困難，甚至導致產品的報廢。因此在產品設計之初進行相應的大氣污染物的防護設計很有必要。

 

      在以往研究中的有關電路板腐蝕問題，主要聚焦于特定類型的腐蝕機理及緩蝕劑的研究。電路板涂覆涂層的研究中，偏向在平面條件下保護涂層的不同材質、不同厚度等因素對防護和可維修性的分析，少有專門針對工程實際中電路板防護涂層的涂覆薄弱點評估和關于電路板腐蝕防護的系統性介紹。

 

      在以往研究的基礎上，文中結合電路板大氣污染物防護的實際問題，從電路板典型腐蝕失效和保護涂層的涂覆薄弱點入手，探討電路板類產品應對大氣污染物的具體防護措施。

 

大氣污染物分類

 

      根據ANSI/ISA-71.04的描述，影響設備工作的空氣中的污染物有固體、液體、氣體三種形態。各形態中對電路板影響較大的物質如下所述。

 

1）固態微粒——灰塵

 

      灰塵中通常含有氯離子、硫酸根、硝酸根等水溶性鹽分。除了直接使設備內部金屬接插件或金屬觸點接觸不良外，還會在金屬表面促使水膜的形成。水溶性成分溶解在水膜中，將會加速金屬腐蝕的發生，導致電路板絕緣阻抗下降。若在電路板工作過程中，可能會發生更為嚴重的電偶腐蝕。

 

2）液態空氣污染物——鹽霧

 

      此處描述的液態空氣污染物除了廣義上的液體外，還包含了被氣體攜帶的液體和空氣中霧化液滴狀物的氣溶膠。沿海地區的空氣中，鹽霧含量較高，主要成分是NaCl，NaCl在化學上比較不活潑，但在潮濕及有水的情況下，會產生Cl-，與Cu、Ni、Ag等金屬或合金反應。

 

      同時NaCl作為一種強電解質，在低于臨界相對濕度的情況下，可以在附著表面發生結露，離解生成Cl-，溶解在電路板表面的液膜或液滴中。在一定濃度Cl-下，電子設備開始出現局部腐蝕，隨著新的不致密腐蝕產物的出現，進一步破壞設備表面的防護層，腐蝕速率迅速增大。

 

3）氣態空氣污染物——S02、H2S

 

      含硫化合物是大氣中最主要的污染物之一，大氣中H2S和SO2主要來自采礦、含硫燃料的燃燒及冶金、硫酸制造等工業過程。H2S和SO2是強可變組分，H2S在加熱情況下可分解為H2和S。排放到空氣中的SO2與潮濕空氣中的O2和水蒸氣反應，在粉塵等催化劑作用下化合生成H2SO4。

 

腐蝕失效機理和形態

 

      由腐蝕引起的電化學遷移（Electrochemical migration，ECM）是電子產品腐蝕失效的主要原因。電化學遷移存在兩種不同的形式：一種是金屬離子遷移到陰極，還原沉積形成枝晶，并向陽極生長；另外一種是陽極向陰極生產的導電陽極絲（Conducting anodic filaments，CAF）。金屬的電化學遷移最終會造成電路的短路漏電流，從而造成系統的失效。

 

      電路板出現的大氣腐蝕機制中，材料表面的吸附液膜扮演著重要角色。液膜厚度在1μm以上的腐蝕最為嚴重，液膜之下主要發生的是電化學反應。常見的電子設備在空氣中出現的腐蝕形態，可以大致分為以下幾類。

 

1）局部腐蝕

 

      腐蝕集中在金屬材料表面的小部分區域內，其余大部分表面腐蝕輕微或不發生腐蝕。主要由于金屬表面狀態（涂層缺陷、化學成分等）和腐蝕介質分布的不均勻，導致電化學性不均勻，即不同的部位具有不同的電極電位，從而形成電位差，驅動局部腐蝕的產生。在局部腐蝕過程中，陽極區域和陰極區域區別明顯，通常形成小陽極大陰極的組態，陽極腐蝕嚴重。

 

2）微孔腐蝕

 

      一種特殊的局部腐蝕，常見于鍍金元件上的特殊電偶腐蝕。由于鍍層表面微孔或其他缺陷的存在，中間過渡層甚至基體金屬暴露在大氣中，Au與其他金屬形成大陰極小陽極的電偶對，發生電化學腐蝕。腐蝕產物的出現進一步導致表面缺陷的增大，最終導致鍍層破壞。受接觸表面微孔腐蝕產物的影響，腐蝕區域將表現出較高的接觸阻抗和相移。

 

3）電解腐蝕

 

      在相鄰導體間距較近且存在偏壓的情況下，將形成較強的電場。若此時導體存在液膜，電位較高的導體將會被溶液電解，形成的離子向另一導體遷移，導致導體間絕緣性能迅速下降，破壞導體，最終導致設備失效。

 

典型腐蝕與防護

 

電路板典型腐蝕失效

 

      電路板上會用到多種物料，物料的選型對于腐蝕反應的發生有重要影響。以工程實際中遇到的厚膜電阻硫化、SMD LED兩種典型硫化失效和印制板銅腐蝕為例，比較不同器件封裝結構和材料選擇對電路板抗腐蝕能力的影響。

 

1）厚膜貼片電阻硫化腐蝕

 

      厚膜電阻的面電極含有銀元素，銀元素暴露在空氣中極易與硫發生化學反應。如果外部保護層和電鍍層沒有緊密結合，則面電極會與空氣中的硫接觸。當空氣中含有大量含硫化合物時，銀與硫化物反應生成硫化銀，由于硫化銀不導電，且體積比銀大，在化合后，體積膨脹，導致原先銀層的斷層，電阻值逐漸增大，直至斷路。

 

      為了防止厚膜電阻硫化，可選用抗硫化能力強的電阻。在面電極上涂覆保護層，通過導入不含Ag、且具有導電性的硫化保護層，從而保護上面電極，徹底杜絕硫化的通路。

 

      典型抗硫化電阻封裝結構如圖1所示。通過1年的對比應用試驗表明，電阻硫化失效率大大降低，新封裝結構的厚膜電阻具有良好的抗硫化作用。

 

 

圖1 帶抗硫化涂層的貼片電阻結構

 

2）硅膠封裝LED硫化腐蝕失效

 

      典型的貼片封裝LED結構如圖2所示，其中與金線相連的一般為鍍銀支架，灌封材料則通常根據廠商而異。實際應用中，在含硫量較高的地區使用硅膠封裝LED，被硫化的風險很高。

 

      如圖3所示，硅膠封裝的LED內部支架已經發黑，經過測試，無法點亮。將失效硅膠封裝LED機械開封后，在金相顯微鏡下觀察到內部鍵合點和支架的形貌如圖4和圖5所示。支架出現嚴重發黑，甚至露出基底銅層的顏色，外部鍵合點已脫落，芯片位置的銀膠發黑嚴重。選取LED支架區域的兩個位置進行EDS能譜分析，如圖6所示。在支架區域分別檢測到了質量分數為13.02%和5.38%的硫元素。

 

 

圖2 貼片LED結構

 

 

圖3 被硫化的硅膠封裝LED

 

 

圖4 金相顯微鏡下的被硫化的硅膠封裝LED開封圖片

 

 

圖5 LED支架區域SEM圖像

 

 

圖 6EDS分析結果

 

      硅膠多孔結構對空氣中硫化物有吸附作用，PLCC表面灌注型發光二極管如果選用硅膠進行封裝，則會有硫化的風險。

 

      因為硅膠具有透濕透氧的特性，空氣中的硫離子易穿透硅膠分子間隙，進入LED內部，與支架鍍銀層發生化學反應，導致支架功能區黑化，光通量下降，直至出現死燈。

 

      如果選用環氧樹脂進行封裝（見圖7），則能有效阻止硫離子的侵蝕。選用環氧樹脂封裝的LED，現場使用1年后沒有發現硫化的現象。

 

 

圖7 環氧樹脂封裝的LED

 

3）印刷電路板的銅腐蝕

 

      印刷電路板使用銅作為電氣傳輸介質，銅腐蝕不僅會影響產品外觀，更容易導致電氣連接短路或斷路問題。

 

      為提高電路板覆銅的抗腐蝕能力，常見的表面處理方式有：熱風整平噴錫、化學鎳金和化學浸銀。相關研究表明，在容易產生凝露的含硫大氣環境下，熱風整平噴錫抗腐蝕能力最強，其次是化學鎳金。

 

      表面處理并不能完全確保電路板在惡劣環境下覆銅不被腐蝕。如圖8所示，化學鎳金電路板底部接地覆銅區域出現覆銅腐蝕現象，甚至被三防漆覆蓋區域的過孔也出現了明顯的腐蝕產物堵塞過孔。如圖9所示，經過熱風整平噴錫的電路板過孔出現腐蝕現象，電路板過孔位置是腐蝕現象出現的高發區域。

 

      除了改變表面處理方式和增加鍍層厚度外，還應調整電路板生產和集成測試過程中的工藝參數，尤其應避免ICT測試過程中，過高探針壓力破壞鍍層。ICT測試壓痕如圖10所示。

 

 

圖8 化學鎳金處理的電路板過孔腐蝕

 

 

圖9 熱風整平噴錫處理的電路板過孔腐蝕

 

 

圖10 電路板ICT測試壓痕

 

涂層涂覆

 

      印制電路板的器件腐蝕通常從引腳或器件邊緣誘發，歷經表面涂層損傷、界面腐蝕擴展、金屬腐蝕擴展、元器件內腔腐蝕等階段。三防漆作為一種特殊配方的涂料，用于保護電路板免受環境的侵蝕。

 

      三防漆的種類和涂覆厚度是影響防護效果的重要因素。業內常根據GB/T 13452.2-2008測量平面位置的涂覆材料厚度，有濕膜厚度、干膜厚度的區分。IPC-A-610給出了不同類型的三防漆推薦涂覆厚度，見表1。

 

      根據實際應用，對于受控環境，可以無需涂覆三防或采用薄層涂覆工藝，涂覆厚度處于范圍下限；對于不受控環境或惡劣環境，則建議采用厚層涂覆工藝，涂覆厚度處于范圍上限。

 

表1 IPC-A-610建議涂覆厚度

 

 

      在實際生產中，發現引腳處干膜厚度有時僅能達到平面區域干膜厚度的1/3。原因是三防漆具有一定流動性，在噴涂后，受到重力和引腳間的毛細作用，器件引腳處的三防漆厚度較薄，成為三防防護的薄弱點（見圖11），極易形成腐蝕。如圖12所示，使用一段時間的電路板器件引腳處出現了三防漆缺失和引腳腐蝕現象。

 

 

圖11 保護涂層的薄弱點

 

 

圖12 器件三防缺失和引腳腐蝕

 

      為了評估不同種類三防漆材質及涂覆厚度在電路板防護效果，選取三塊相同電路板，設置不同的涂覆參數，見表2。方案A、B中的丙烯酸三防漆在使用前需要稀釋，方案C中的觸變型聚氨酯三防漆是改良型的聚氨酯三防漆，具有剪切時黏度較小、便于噴涂均勻、停止剪切時黏度迅速上升的特點。

 

      根據GB/T 2423.17進行恒定鹽霧試驗168h之后，按照GB/T 2423.18采用等級II的要求進行交變鹽霧6個周期試驗，時間為144h。試驗方法和參數見表3和圖13。

 

表2 試驗電路板樣品涂覆參數

 

 

表3 鹽霧試驗參數

 

 

 

圖13鹽霧試驗方案

 

      試驗結果如圖14所示。在經過恒定鹽霧試驗和交變鹽霧試驗之后，方案A的電路板在涂層的邊沿位置出現了涂層脫落，貼片器件和引腳焊點位置出現鼓泡，部分器件引腳出現了較嚴重腐蝕，在紫光燈下器件引腳位置三防漆脫落情況嚴重。

 

      方案B的電路板在紫光燈下器件引腳位置三防漆出現少量脫落，引腳出現輕微腐蝕，電路板在平面位置出現一些鼓泡，貼片器件的邊沿位置出現一定鼓泡。

 

      方案C的電路板三防漆外觀未見明顯破損，在紫光燈下器件引腳位置三防漆留存相對完整，在PCB平面位置有少量鼓泡情況出現，在貼片器件引腳處出現少量氣泡。

 

 

圖14 鹽霧試驗后的電路板三防漆外觀對比

 

      試驗結果表明，在三防漆涂覆工藝相同的前提下，不同物性參數和涂覆厚度的三防漆在電路板的防護效果上有較大的差異。適當提高三防漆材質黏度和厚度能有效改善器件引腳處和器件邊沿處防護效果，保證涂層的完整性，進一步提高了電路板器件工作過程的抗腐蝕能力。

 

結構防護

 

      結構密封防護設計是為隔絕或減少外部腐蝕介質的影響，保持內部絕緣件和電子器件原有的性能。例如將設備置于高防護等級的防護外殼中，如圖15所示。

 

 

圖15 IP67電路板防護外殼

 

      提高防護等級可能會導致如散熱、人機交互、成本等方面的問題。當系統中引入風扇時，需注意風道設計。根據設備的使用環境，合理選擇產品的散熱方式和風扇的位置。當風扇置于進風口位置，應注意避免在設備內部形成渦流，且進風口位置避免放置管腳密度較大的器件，以減少局部區域積灰嚴重的問題出現，避免固體顆粒污染物聚集。

 

結論

 

      針對電路板的大氣污染物防護問題，在應力因素分析和已有腐蝕故障機理研究的基礎上，分別從器件級、單板級和設備級，在物料選型、防護涂層和結構防護設計方面提出了多種分析驗證方法和防護措施。

 

      1）對于腐蝕器件，可用金相顯微、SEM及EDS等手段確定具體污染源，針對污染源種類和入侵路徑選擇合適封裝的器件。

 

      2）受重力和引腳間毛細作用的影響，器件引腳和邊緣位置通常是涂層涂覆的薄弱點。帶有保護涂層的電路板腐蝕通常從引腳或器件邊緣誘發，器件引腳位置為保護涂層的涂覆薄弱點。提高涂層材料黏度和厚度，可以有效提升保護電路板對污染物的抗腐蝕能力。

 

      3）適當提高結構設計的IP防護等級和合理的風道設計，可以有效降低大氣污染物入侵。該研究提出的相關方法和相關案例分析為電路板腐蝕失效分析和防護設計提供了參考和借鑒。