機載電子設(shè)備印制電路板環(huán)境適應(yīng)性研究

劉成臣，張洪彬，趙連紅，金濤，王浩偉

（1.中國特種飛行器研究所結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北荊門448035；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州440106）

機載電子設(shè)備印制電路板環(huán)境適應(yīng)性研究

劉成臣1，張洪彬2，趙連紅1，金濤1，王浩偉1

（1.中國特種飛行器研究所結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北荊門448035；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州440106）

目的考察機載電子設(shè)備印制電路板在西沙環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性。方法開展西沙海洋環(huán)境下2種印制電路板的棚下暴露實驗，暴曬實驗時間為3年，分別通過外觀、絕緣電阻、耐壓性、品質(zhì)因數(shù)研究其老化特點。結(jié)果兩類印制電路板樣品的絕緣電阻和品質(zhì)因數(shù)呈總體下降趨勢，PCB2的絕緣電阻下降相對較小，PCB1樣本耐電壓測試出現(xiàn)擊穿并有明顯的腐蝕情況。結(jié)論PCB2工藝體系的環(huán)境適應(yīng)性能好于PCB1，在機載電子設(shè)備印制電路板選用過程中推薦優(yōu)先。

印制電路板；西沙環(huán)境；環(huán)境適應(yīng)性

飛機在海洋環(huán)境下服役時長期受高溫、高濕、高鹽環(huán)境的影響，印制電路板作為機載電子裝備的關(guān)鍵部件一般處于內(nèi)部環(huán)境，鹽霧和濕氣一旦進入，將不易散出，會長期對印制電路板產(chǎn)生作用，導(dǎo)致電路板發(fā)生腐蝕，而電路板一個小小的腐蝕都可能使整個設(shè)備癱瘓[1—3]。國內(nèi)目前對于印制電路板環(huán)境適應(yīng)性研究較少，主要集中在從鹽霧、濕熱、霉菌三防的角度研究環(huán)境對其的影響，缺乏在惡劣真實自然環(huán)境的驗證[4—5]。隨著我國飛機在南海布局，對機載電子設(shè)備印制電路板的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。文中開展了2種典型機載電子設(shè)備印制電路板的西沙環(huán)境棚下暴曬試驗，采用絕緣電阻、耐壓性、品質(zhì)因數(shù)表征其電性能并比較，為機載電子設(shè)備印制電路板的選取提供支撐。

1 海洋環(huán)境暴露試驗

1.1 試驗件及試驗件條件

印制電路板試驗件采用平板試樣，試驗件尺寸為76 mm×38 mm（見圖1），其材料清單及特性見表1。

圖1 印制電路板試驗件

表1 印制電路板試驗件清單

該次試驗選擇西沙海域環(huán)境開展棚下暴露試驗，試驗周期為3年。西沙海洋環(huán)境的高溫、高濕、高鹽等惡劣環(huán)境是飛機在沿海服役環(huán)境面臨的最嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)，能夠真實反映印制電路板的環(huán)境適應(yīng)性。

1.2 試驗檢測

印制電路板試驗樣品大氣暴露試驗按照GJB/T 8683—1998《機械電子產(chǎn)品及元器件海洋環(huán)境大氣暴露試驗方法和導(dǎo)則》進行。在具有百葉窗的半封閉試驗棚下，印制電路板垂直懸掛。暴露試驗周期為：樣品按第6，12，18，24，30，36個月的試驗周期進行取樣。印制電路板的檢測除表面拍照外，主要關(guān)注其電性能的變化，包括絕緣電阻、耐壓性、品質(zhì)因數(shù)。測試設(shè)備見表2。

表2 測試設(shè)備清單

2 結(jié)果與討論

印制電路板樣品的性能檢測周期為6，12，18，24，36個月，檢測項目包括外觀、絕緣電阻、耐壓性、品質(zhì)因數(shù)，檢測結(jié)果見表3。

2.1 性能變化

根據(jù)表3中印制電路板樣品性能測試結(jié)果，繪制絕緣電阻和品質(zhì)因數(shù)的變化趨勢圖，如圖2、圖3所示。

由圖2和圖3可知，在進行自然暴露試驗時間為36個月后，PCB1與試驗前相比絕緣電阻下降3個數(shù)量級，相對而言，PCB2的絕緣電阻下降較小，與試驗前相比下降1個數(shù)量級。另外，隨著自然暴露試驗的開展，兩類印制電路板的品質(zhì)因數(shù)總體均呈下降趨勢。PCB2在自然暴露試驗過程中絕緣電阻、品質(zhì)因數(shù)均有明顯的先上升后下降的變化趨勢。這是由于DCA200H三防清漆的固化時間較長，在自然暴露初期固化不徹底，西沙的高溫環(huán)境導(dǎo)致涂層出現(xiàn)發(fā)黏現(xiàn)象。隨著試驗的開展，樹脂的交聯(lián)度不斷增加，樹脂發(fā)黏現(xiàn)象消失，絕緣電阻和品質(zhì)因數(shù)升高。試驗繼續(xù)開展，在高溫、高濕、高鹽霧的環(huán)境影響下，樹脂發(fā)生降解，絕緣電阻和品質(zhì)因數(shù)不斷下降。同時表3所示，PCB1在試驗3個月后介質(zhì)耐電壓測試即出現(xiàn)擊穿，而PCB2整個試驗過程均正常。

表3 印制電路板樣品檢測數(shù)據(jù)

圖2 絕緣電阻變化趨勢

圖3 品質(zhì)因數(shù)變化趨勢

2.2 外觀變化

外觀拍照如圖4和圖5所示，PCB1在開展暴露試驗6個月后開始出現(xiàn)腐蝕，12個月嚴(yán)重腐蝕，PCB2在整個試驗過程中未見明顯腐蝕。

項目組通過金相顯微鏡對印制電路板的腐蝕狀況進一步確認(rèn)，結(jié)果如圖6所示。PCB1樣品在開展自然暴露試驗6個月后，線路邊緣出現(xiàn)腐蝕。分析原因，電路板的腐蝕一般分為4個過程，分別是表面涂層損傷階段、涂層金屬界面腐蝕擴展階段、金屬材料腐蝕擴展階段和元器件芯腔內(nèi)腐蝕階段。表面涂層損傷階段主要是由于線路邊緣涂層相比其他部位薄，涂層微觀空隙大且應(yīng)力集中，濕氣和其他腐蝕介質(zhì)容易從界面滲入，導(dǎo)致涂層吸附力降低，從而使得涂層出現(xiàn)溶脹、鼓泡等現(xiàn)象。涂層的損傷為涂層金屬界面腐蝕擴展提供了條件，涂層下的金屬材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕，表現(xiàn)為縫隙腐蝕的特征，縫內(nèi)局部環(huán)境日趨惡劣會加速腐蝕的擴展，故電路板的腐蝕呈現(xiàn)明顯的向縱深方向發(fā)展的趨勢，并使得金屬材料形成明顯的點蝕特征，如圖4b所示。當(dāng)腐蝕進行到一定程度，腐蝕介質(zhì)就會進入元器件腔體內(nèi)部，引發(fā)內(nèi)引線和外引線組成腐蝕原電池，導(dǎo)致電性能下降。

圖4 印制板試驗樣品PCB1照片

圖5 印制板試驗樣品PCB2照片

圖6 PCB1樣品暴露微觀照片

3 結(jié)論

1）在西沙海域環(huán)境開展2種印制電路板的3年棚下暴露實驗，通過測試外觀、絕緣電阻、耐壓性、品質(zhì)因數(shù)檢測其性能受環(huán)境作用的變化規(guī)律。結(jié)果表明，2類印制電路板樣品的絕緣電阻和品質(zhì)因數(shù)呈總體下降趨勢，PCB2的絕緣電阻下降相對較小，PCB1樣本耐電壓測試出現(xiàn)擊穿并出現(xiàn)明顯的腐蝕情況。

2）PCB2工藝體系的環(huán)境適應(yīng)性能好于PCB1，在機載電子設(shè)備印制電路板選用過程中推薦優(yōu)先。

[1]李敏偉,傅云,李明,等.典型航空印刷電路板鹽霧環(huán)境腐蝕損傷規(guī)律研究[J].裝備環(huán)境工程,2012,9(6), 29—35.

[2]鄒士文,肖葵,董超芳,等.霉菌環(huán)境下噴錫處理印制電路板的腐蝕行為[J].中國有色金屬學(xué)報,2013,23(3): 810—815.

[3]曲利新.增強軍用電路板組件環(huán)境適應(yīng)性的一種方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(21):41—43.

[4]許愛斌,鄭廷圭.PCB的腐蝕失效及其分析[J].可靠性物理與失效分析技術(shù),2005(2):28—30.

[5]袁敏,鄒凡,王忠.熱帶海洋環(huán)境條件對印制電路板性能參數(shù)的影響分析[J].環(huán)境技術(shù),2014(3):21—23.

[6]賈偉峰,段華波,侯坤,等.廢電路板非金屬材料再生利用技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010,33(2): 196—198.

[7]陳和祥.印制電路板生產(chǎn)中油墨廢水處理技術(shù)研究[J].環(huán)境科技,2010,23(1):30—32.

[8]張仁群,岳濤.大型電子系統(tǒng)顯示控制臺環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計[J].環(huán)境技術(shù),2011,35(4):22—24.

[9]杜迎.鹽霧腐蝕對不同封裝形式集成電路性能的影響[J].電子與封裝,2006,6(2):24—27.

[10]杜迎,朱衛(wèi)良.鹽霧對集成電路性能的影響[J].半導(dǎo)體技術(shù),2004,29(5):55—56.

Environmental Adaptability of Printed Circuit Board for Airborne Electronic Equipment

LIU Cheng-chen1,ZHANG Hong-bin2,ZHAO Lian-hong1,JIN Tao1,WANG Hao-wei1
(1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Corrosion Prevention and Control, China Special Vehicle Research Institute,Jingmen 448035,China; 2.China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Institute,Guangzhou 440106,China)

ObjectiveTo study on the environmental adaptability of printed circuit board for airborne electronic equipment in Xisha environment.MethodThe exposure test on two kinds of printed circuit boards in Xisha marine environment was carried out by exposure for 3 years,and the aging characteristics were studied by appearance,insulation resistance,pressure resistance and quality factor.ResultsThe insulation resistance and quality factor of the two types of printed circuit board samples showed an overall downward trend.PCB2 insulation resistance decreased relatively small. PCB1 sample had breakdown and obvious corrosion in withstand voltage test.ConclusionThe environmental performance of PCB2 process system is better than PCB1.It is recommended of priority in selecting printed circuit board for airborne electronic equipment.

printed circuit board;Xisha environment;environmental adaptability

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.013

TJ85

A

1672-9242(2017)07-0065-05

2017-03-22；

2017-05-08

劉成臣（1984—），男，湖北荊門人，碩士，高級工程師，主要研究方向為飛機結(jié)構(gòu)抗腐蝕設(shè)計。