遙控器印制線路板腐蝕失效原因

胡利芬, 王珊珊

(1.廣汽集團(tuán)汽車(chē)工程研究院, 廣州 510640； 2.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司, 廣州 510300)

通常，電子組件是將電子元器件焊接在印制電路板(PCB)上，PCB不僅是電子元器件的支撐體，而且是電子元器件線路連接的提供者，其中任何一部分出現(xiàn)問(wèn)題都將導(dǎo)致電子組件失效，并最終影響整機(jī)的質(zhì)量和可靠性[1]。目前，大量新型器件使用高密度PCB，因其制造上的復(fù)雜性、材料上的多樣性和生產(chǎn)上的經(jīng)濟(jì)性等因素，PCB出現(xiàn)的失效現(xiàn)象呈上升趨勢(shì)[2-3]。某家用遙控器在使用6個(gè)月時(shí)發(fā)現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)PCB發(fā)生腐蝕，腐蝕集中在A，B兩區(qū)域，見(jiàn)圖1。其中，A區(qū)域有褐色生成物，B區(qū)域焊接合金處有析出物。筆者通過(guò)一系列檢驗(yàn)和分析，找出了PCB腐蝕失效的原因，并提出了改進(jìn)建議。

圖1 失效PCB宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failed PCB

1 理化檢驗(yàn)

1.1 PCB的A區(qū)分析

1.1.1 宏觀分析

在完好PCB的A區(qū)切取大小為50 mm×50 mm×4 mm的試樣，用光學(xué)顯微鏡對(duì)其截面進(jìn)行觀察，如圖2所示?？梢?jiàn)該試樣表面鍍層不連續(xù)，厚度不均勻，只在少數(shù)部位可見(jiàn)薄薄的鍍層，局部甚至未鍍上鍍層，露出了底部基材。

圖2 完好PCB的A區(qū)截面形貌Fig.2 Section morphology of area A of intact PCB

1.1.2 微觀分析

在失效PCB的A區(qū)切取大小為50 mm×50 mm×4 mm的試樣，用無(wú)水乙醇+超聲波清洗表面并吹干后，采用Zeiss Evo MA18型掃描電鏡(SEM)對(duì)褐色生成物進(jìn)行觀察，采用Oxford型能譜儀(EDS)對(duì)完好PCB的A區(qū)鍍層、基材及失效PCB的A區(qū)褐色生成物進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖3和表1，可知失效PCB的A區(qū)表面褐色生成物主要是鐵的氧化物。

圖3 失效PCB的A區(qū)褐色生成物微觀形貌Fig.3 Micro morphology of brown substance in area Aof the failed PCB

1.2 PCB的B區(qū)分析

1.2.1 紅外分析

采用Nexus 670型紅外光譜儀對(duì)失效PCB的B區(qū)的析出物進(jìn)行紅外分析，結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)析出物含鹵化聚苯乙烯，推測(cè)其可能是PCB助焊劑中添加的苯乙烯類(lèi)助焊劑。其中2 850，2 921，3 004，3 025，3 059，3 081 cm-1等位置是苯環(huán)上和乙烯基上C—H的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 068,1 027 cm-1位置為苯環(huán)上相鄰的氫原子的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，面外彎曲振動(dòng)吸收峰在754，698 cm-1位置是苯環(huán)單取代的特征峰；位于1 600，1 740，1 801，1 870，1 942 cm-1的峰也是苯環(huán)單取代的特征峰。1 600，1 583，1 492，1450 cm-1位置附近的峰是苯環(huán)的骨架振動(dòng)峰。

表1 PCB的A區(qū)能譜分析結(jié)果Tab.1 EDS analysis results in area A of PCB

圖4 失效PCB的B區(qū)析出物的紅外光譜Fig.4 Infrared spectra of precipitate in zone B of the failed PCB

1.2.2 能譜分析

采用Zeiss Evo MA18型SEM和Oxford型EDS對(duì)完好PCB的B區(qū)和失效PCB的B區(qū)進(jìn)行分析，結(jié)果分別見(jiàn)圖5、圖6和表2?？芍旰肞CB的B區(qū)主要含錫、氧、碳、銀、硅等元素，為表面鍍錫層及其氧化物；失效PCB析出物主要含氯、碳、氧、錫等元素。結(jié)合PCB的實(shí)際工藝，推斷析出物的成分可能為焊接用的助焊劑，助焊劑的主要元素包含碳和氧，能譜中含有錫的成分是由于焊錫夾雜在析出物中。

2 分析與討論

在電子設(shè)備中經(jīng)常使用帶有連接觸頭的PCB，這些觸頭表面都會(huì)鍍上一層稀有金屬，如鍍錫等，以保證觸頭具有高的耐磨性和低的接觸電阻。均勻細(xì)致的鍍層可保證PCB具有優(yōu)良的可焊性和良好的抗腐蝕能力；鍍層不良則會(huì)造成PCB斷路，連線或者短路，甚至線路都被腐蝕。

圖5 完好PCB的B區(qū)微觀形貌Fig.5 Micro morphology of area B of intact PCB

圖6 失效PCB的B區(qū)析出物微觀形貌Fig.6 Micro morphology of precipitate in area B of the failed PCB

表2 PCB的B區(qū)能譜分析結(jié)果Tab.2 EDS analysis results in area B of PCB

鍍錫層均勻性差對(duì)印制線路板的質(zhì)量影響很大，這是因?yàn)殄冨a層的厚度相對(duì)較薄，不均勻的鍍層局部會(huì)更薄或漏鍍，則該處的焊接性能變差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。從該失效PCB的腐蝕情況看，A區(qū)鍍錫層較薄且厚度不均勻，局部甚至漏鍍而露出鐵基材，在潮濕環(huán)境中PCB基材易發(fā)生氧化腐蝕生成鐵銹等物質(zhì)[4-5]，如圖1中的褐色物質(zhì)。

助焊劑含有聚苯乙烯，由于其分子中有不飽和雙鍵，因此特別容易被氧化。PCB在焊接受熱時(shí)，助焊劑迅速氧化，生成物不易溶于溶劑，這樣PCB上就會(huì)有明顯的白斑，而且在PCB受熱較厲害的部分更加明顯。該類(lèi)析出物外觀多表現(xiàn)為疏松狀，極易吸收空氣中的潮氣和各種腐蝕性氣體。

不同地區(qū)空氣中含有的雜質(zhì)不同，如靠近海岸的空氣中的雜質(zhì)主要是Na+，工業(yè)地區(qū)空氣中的雜質(zhì)則為SO2，H2S，NH3，Cl2等及各種懸浮顆?；蚧覊m。這些氣體雜質(zhì)及懸浮顆粒會(huì)隨著空氣流動(dòng)沉降在PCB表面，并溶解在PCB表面積存的水中，若PCB表面鍍層處理不當(dāng)就有可能發(fā)生腐蝕[6-7]。該失效PCB的B區(qū)鍍錫層的雜質(zhì)含量高，由于PCB吸潮在其表面形成水膜，在環(huán)境中SO2,H2S,CO2,HCl等參與下，鍍錫層表面形成無(wú)數(shù)電化學(xué)微原電池，錫作為負(fù)極失去電子而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

3 結(jié)論及建議

該遙控器印制線路板在制造過(guò)程中某些地方的鍍錫層漏鍍，對(duì)基材失去了保護(hù)作用，基材發(fā)生氧化腐蝕；某些地方的鍍錫層雜質(zhì)含量高，在大氣中的水汽、氧、二氧化碳、酸霧等參與下，錫作為薄液膜下腐蝕原電池中的負(fù)極失去電子發(fā)生電化學(xué)腐蝕。在該兩種腐蝕的綜合作用下，最終造成遙控器線路板腐蝕失效。

建議在電鍍過(guò)程中控制溶液溫度，必要時(shí)采取冷卻措施，保證鍍錫層的均勻性；改善鍍錫工藝，加強(qiáng)鍍錫溶液維護(hù)；鍍錫完成后充分進(jìn)行冷、熱水沖洗，盡量將工件表面沖洗干凈，保證鍍錫層的錫的純度。