某機載印制電路板在模擬海洋大氣環(huán)境中腐蝕行為

李 茜，陳星昊，胡 濤，孫茂鈞，王 玲，3

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.海南萬寧大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，海南萬寧 571522；3.重慶市環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

在熱帶海洋環(huán)境下，由于飛機服役期間易受高溫、高濕、高鹽霧和強太陽輻射等典型海洋環(huán)境因素的長期影響，因此，機載電子設(shè)備及系統(tǒng)在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕與防護(hù)問題便成為了各界學(xué)者研究的焦點[1-2]。

印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）作為機載電子裝備的關(guān)鍵部件之一，通常被安裝于機艙內(nèi)部封閉或半封閉的環(huán)境中，當(dāng)外界環(huán)境中的鹽霧和濕氣等一旦通過艙室某處的間隙（如銜接部位）進(jìn)入內(nèi)部環(huán)境中，將不易擴散出來，鹽霧和濕氣等環(huán)境因素將會長期作用于PCB，從而導(dǎo)致電路板腐蝕。

PCB是電子設(shè)備的主要功能承載單元，其性能表現(xiàn)直接決定電子設(shè)備及其組成系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性水平。因此，電路板上的1 個微小的腐蝕都可能使整個設(shè)備癱瘓[3-6]。

飛機的使用壽命約30 年，若在自然環(huán)境下評估PCB的環(huán)境適應(yīng)性則需要較長的周期，這無法滿足工程研制需求[7-9]。因此，本文采用實驗室加速試驗的方法，開展了典型機載電子設(shè)備PCB的鹽霧和交變濕熱的組合循環(huán)試驗，通過宏微觀觀察和電性能測試結(jié)果，研究了鹽霧和交變濕熱老化條件下PCB的腐蝕行為，以期通過短時的實驗室加速試驗來評估服役若干年后飛機中PCB的性能。

1 試驗

1.1 試驗樣品

試驗用PCB 為平板試樣，表面用三防清漆處理，尺寸規(guī)格為100 mm×50 mm×1.5 mm，如圖1所示。

圖1 PCB試樣Fig.1 PCB sample

1.2 試驗方案設(shè)計

針對機載PCB 開展鹽霧和交變濕熱的組合循環(huán)試驗，其中，加速試驗應(yīng)力水平的確定結(jié)合了航空機載設(shè)備在裝備中的局部使用環(huán)境特征、熱帶海洋環(huán)境的特征及其主要環(huán)境因素影響作用等，同時參考了GJB 1217A—2009 和GJB 150A[10-12]以及相關(guān)研究[13-16]中的鹽霧和交變濕熱試驗部分，設(shè)計鹽霧和交變濕熱的組合試驗譜如圖2所示。其中，1個循環(huán)試驗周期由鹽霧試驗24 h（22 h 噴霧+2 h 干燥）和交變濕熱試驗96 h組成，共進(jìn)行14個循環(huán)試驗，即1 680 h。

圖2 鹽霧/交變濕熱組合試驗譜Fig.2 Salt spray/alternating damp heat combined test spectrum

1.3 性能檢測

每2個循環(huán)周期后，對試驗試樣做1次性能檢測，分別檢測PCB 的宏微觀腐蝕形貌和電性能等變化情況。采用Stemi2000-C 型蔡司體式顯微鏡和蔡司SEM，以及EDS 對試樣腐蝕情況進(jìn)行觀察分析，并分別使用AT515型精密電阻和TH9320型交/直流絕緣耐壓測試儀開展樣品的接觸電阻和絕緣耐壓電性能檢測，其中，能承受500 V 交流電壓60 s 即介質(zhì)耐電壓為“合格”。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀變化

為了研究鹽霧和交變濕熱老化后PCB 的表面腐蝕情況，試驗后，對PCB的宏觀形貌進(jìn)行觀察分析，其典型外觀腐蝕形貌如圖3所示。

圖3 試驗1 200 h后PCB外觀腐蝕形貌Fig.3 Appearance corrosion morphology of PCB after 1 200 h test

通過分析可知：1 680 h 鹽霧和交變濕熱試驗后，PCB的基材面漆在整個試驗周期內(nèi)光澤度略有下降，表面發(fā)暗，并且通過后續(xù)的微觀分析發(fā)現(xiàn)其表面出現(xiàn)了明顯的裂紋；整個試驗過程中，PCB 主要受鹽霧中Cl-和交變濕熱的交替變化影響，腐蝕集中出現(xiàn)在其焊點、焊盤、印制導(dǎo)線和引線頭等金屬部位。

為量化表征PCB表面腐蝕變化程度，分區(qū)對PCB基材面漆、焊盤、焊點、引線頭和印制導(dǎo)線5 個部位進(jìn)行細(xì)致觀察分析，各部位見圖3 紅色框線區(qū)域。對試驗后PCB 的外觀腐蝕變化采用半定量法，即使用0～4的數(shù)值來表征PCB的表面腐蝕程度，具體外觀檢測結(jié)果如表1所示。試驗初期，PCB的腐蝕變化不明顯，但隨著試驗的進(jìn)行，鹽霧和交變濕熱對PCB腐蝕影響逐漸加重，其中，對引線頭的腐蝕最為明顯且速度最快，這與裸露金屬部位對鹽霧和濕熱的敏感性更強有關(guān)。

表1 PCB外觀檢測結(jié)果Tab.1 Appearance inspection result of PCB

2.2 腐蝕形貌分析

采用蔡司體式顯微鏡觀察鹽霧和交變濕熱循環(huán)試驗后PCB試樣表面形貌，引線頭和焊點的腐蝕形貌如圖4所示。暴露在試驗中的引線頭最終被腐蝕氧化變成了全黑色。同樣受鹽霧、交變溫度以及濕度的共同作用，PCB的焊點在試驗初期僅為鹽顆粒附著在焊點周圍，后期亮銀白色部分逐漸被氧化腐蝕生銹，失去金屬光澤且顏色變黑變暗。

圖4 PCB引線頭和焊點的腐蝕形貌Fig.4 Corrosion morphology of PCB lead head and solder joint

隨著鹽霧和交變濕熱試驗時間的延長，觀察發(fā)現(xiàn)PCB表面顏色加深，焊盤的腐蝕區(qū)域不斷增多，如圖5所示。原始PCB 上的焊盤光滑、均勻，線路中的導(dǎo)線外表平滑且完好無損，然而在試驗過程中，腐蝕產(chǎn)物逐漸堆積在焊盤孔洞及其周邊。試驗1 440 h后，受鹽霧的影響，焊盤和與其銜接導(dǎo)線的腐蝕現(xiàn)象明顯加重，見圖5 c）。焊盤上的焊錫金屬基本被完全腐蝕，腐蝕產(chǎn)物附著在焊盤和導(dǎo)線上，使得原本光滑平整的焊盤和導(dǎo)線表面變得粗糙，導(dǎo)線輪廓凸顯且表面堆積了1層粗糙且厚重的腐蝕產(chǎn)物。在鹽霧和交變濕熱試驗1 680 h后，焊盤區(qū)域部分腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)脫落并形成了小的腐蝕坑，見圖5 d）。

圖5 不同試驗時間PCB焊盤的腐蝕形貌Fig.5 Corrosion morphology of PCB pad at different test time

圖6 給出了PCB 焊盤腐蝕擴展范圍。試驗過程中，PCB焊盤區(qū)域由較小的局部腐蝕逐漸擴大。試驗進(jìn)行1 200 h后，焊盤的最大腐蝕擴展范圍約1 mm；當(dāng)鹽霧和交變濕熱試驗進(jìn)行到1 680 h后，焊盤的最大腐蝕擴展范圍約是1 200 h 時的2 倍，最大的達(dá)到2.29 mm。

圖6 PCB焊盤腐蝕擴展范圍Fig.6 Corrosion expansion rang of PCB pad

試驗初期，PCB試樣的基材表面附著鹽顆粒和少量的腐蝕產(chǎn)物。試驗1 680 h 后，微觀觀察發(fā)現(xiàn)，其基材表面沿著印制導(dǎo)線腐蝕破壞嚴(yán)重的區(qū)域局部開始出現(xiàn)白斑、皺褶以及小面積微裂紋，如圖7 所示，原來淺埋在基材中的印制導(dǎo)線在循環(huán)試驗過程中先后經(jīng)歷了起泡、開裂和脫落過程。

圖7 不同試驗時間PCB印制導(dǎo)線腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphology of PCB printed wires at different test time

印制導(dǎo)線在試驗1 200 h后出現(xiàn)了明顯的起泡，且先從印制導(dǎo)線邊緣的棱角處擴展開，起泡的尺寸增加，影響范圍增大，見圖7 b）；試驗1 440 h 后，原來的起泡部位，演變發(fā)展為表面覆蓋層的開裂、脫落。隨著印制導(dǎo)線表面覆蓋層的開裂和脫落面積逐漸增大，印制導(dǎo)線內(nèi)層基體銅線裸露在試驗氣氛中，并逐漸發(fā)生腐蝕氧化；到試驗1 680 h 結(jié)束時，由圖7 d）可以清楚地看到，印制導(dǎo)線表面的覆蓋層已大面積開裂和剝落，其因暴露在試驗環(huán)境中顏色發(fā)生了明顯的變化。

分析認(rèn)為，相比其他部位，PCB 線路邊緣涂層較薄，由于涂層微觀空隙大且應(yīng)力集中[17-18]，試驗箱中濕氣和Cl-等腐蝕介質(zhì)很容易從界面滲入，導(dǎo)致涂層吸附力降低，從而使涂層出現(xiàn)溶脹、鼓泡現(xiàn)象，最終開裂和脫落等。

通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，PCB在模擬海洋大氣環(huán)境中的腐蝕損傷特征主要是從其焊盤、焊點、引線頭、印制導(dǎo)線和基材面漆部位誘發(fā)并擴展，因此，結(jié)構(gòu)微區(qū)域越多的PCB，發(fā)生腐蝕的概率越高。為提升PCB在海洋大氣環(huán)境中的使用壽命，實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)加強其關(guān)鍵部位的保護(hù)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，可優(yōu)化焊點工藝，采用抗腐蝕性強的焊盤材料，對基材表面進(jìn)行更耐腐蝕的噴漆處理等。

另外，根據(jù)對PCB不同試驗時間后的腐蝕形貌分析可知，PCB的腐蝕破壞時間存在1個臨界值，對于本模擬試驗，其形貌發(fā)生腐蝕破壞的臨界時間均為試驗1 200 h。在PCB的實際應(yīng)用中，為減少因其被腐蝕破壞而引發(fā)的機載設(shè)備故障，實際使用時間不應(yīng)超過發(fā)生腐蝕破壞的臨界點。

2.3 微觀分析

為了加強對PCB的腐蝕形貌分析，本文有針對性地開展了對其關(guān)鍵部位中基材面漆、焊盤以及印制導(dǎo)線的微觀形貌及能譜等分析，見圖8～11。

觀察可知，PCB原始試樣表面涂層平整且無明顯缺陷，見圖8 a），但試驗后，樣品表面涂層卻出現(xiàn)了明顯的裂紋，且在試驗過程中，裂紋在試樣表面逐漸延伸擴展，裂紋面積進(jìn)一步擴大，裂紋深度明顯加深變寬，最終形成了圖8 b）所示裂紋相互連接且深淺不一的網(wǎng)狀裂紋。分析認(rèn)為，受試驗中溫度、濕度和鹽霧等環(huán)境因素的交替作用影響，涂層表面發(fā)生了腐蝕老化，因鹽霧中的Cl-本身具有很強的穿透性，在試驗過程中使PCB面漆受到破壞，從而進(jìn)一步腐蝕基體。圖8 c）能譜分析也進(jìn)一步證明，試驗后的PCB 樣品表面確實附著大量的Na+和Cl-，主要是由鹽霧試驗這一過程中的NaCl溶液噴霧沉積所致，從而加速了樣品表面的腐蝕破壞。圖8 d）給出了PCB 試驗前后樣品表面紅外光譜圖，觀察發(fā)現(xiàn)，盡管試樣的基材面漆在試驗過程中受到明顯破壞，但其試驗前后主要特征吸收峰，如2 923.65 cm-1、1 727.87 cm-1、1 457.15 cm-1、1 065.12 cm-1和605.69 cm-1等的強度、位置、形狀變化均不明顯，即其試驗前后面漆的腐蝕機理沒有發(fā)生改變。

圖8 面漆的微觀分析Fig.8 Micro analysis of finish

同樣，通過觀察試驗后印制導(dǎo)線的微觀形貌及能譜分析可知，印制導(dǎo)線表面的鍍層出現(xiàn)了明顯的剝落，內(nèi)置銅導(dǎo)線基本暴露在基材表面，見圖9 a）。印制導(dǎo)線能譜分析顯示其主要含有Cu、O、Na、Cl、Ca 和Si等元素，表面鍍層和基材中的銅導(dǎo)線在試驗過程中均發(fā)生了明顯的腐蝕，其中，銅導(dǎo)線在這一過程中出現(xiàn)了明顯的氧化腐蝕產(chǎn)物，呈磚紅色，見圖7 d），研究顯示[19]，銅的氧化腐蝕一般有3種：一是在常溫下氧化會生成銅綠，堿式碳酸銅（Cu2（OH）2CO3）為綠色；二是加熱氧化會生成氧化銅（CuO），為黑色；三是氧化成氧化亞銅（Cu2O），為磚紅色。因此，本試驗中的腐蝕產(chǎn)物為第3種情況。

圖9 試驗后印制導(dǎo)線微觀形貌及能譜Fig.9 Micro morphology and energy spectrum of printed conductor after testing

進(jìn)一步對比分析PCB 焊盤試驗前后的微觀形貌和能譜，如圖10、11 所示。原始的焊盤表面受焊錫層的保護(hù)，該焊錫層中主要含有Sn和Pb以及少量的Mo元素，見圖10 b），在試驗過程中，焊盤表面的焊錫因被腐蝕破壞而變得凹凸不平，且有大量的腐蝕產(chǎn)物堆積在焊盤周圍，見圖11 a）。分析認(rèn)為該腐蝕產(chǎn)物一方面是焊盤表面的Sn 和Pb 的氧化腐蝕產(chǎn)物；另一方面是濕氣和鹽霧中的Cl-優(yōu)先從受到破壞的焊錫保護(hù)層表面滲透到焊盤的基材中，使得基材銅發(fā)生了氧化進(jìn)而形成了腐蝕產(chǎn)物。文獻(xiàn)[20-22]分析可知，該綠色腐蝕產(chǎn)物的主要成分可能為Cu4（OH）6SO4和Cu2Cl（OH）3等，隨著試驗時間的延長，焊盤被腐蝕產(chǎn)物完全覆蓋，失去了原有的金屬光澤。

圖10 原始焊盤微觀形貌及能譜Fig.10 Micro morphology and spectrum of original PCB pad

圖11 試驗后焊盤微觀形貌及能譜Fig.11 Micro morphology and energy spectrum of PCB pad after testing

2.4 電氣性能變化

2.4.1 導(dǎo)通電阻變化

以2 個循環(huán)為1 個周期對PCB 的導(dǎo)通電阻、絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓進(jìn)行檢測，其中，絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓分別在PCB 同層之間、異層之間測試，本試驗所用PCB 共3 層。不同鹽霧和交變濕熱試驗后，PCB的導(dǎo)通電阻變化如圖12所示。

圖12 不同試驗時間后PCB的導(dǎo)通電阻變化Fig.12 Change of on resistance of PCB after difference test time

試驗初期，該種PCB 的導(dǎo)通電阻阻值無明顯變化，約為44 mΩ。當(dāng)試驗進(jìn)行到1 200 h，導(dǎo)通電阻出現(xiàn)增大趨勢，增大約20%。到試驗結(jié)束，PCB 導(dǎo)通電阻上升近50%，但導(dǎo)通性依然良好。另外，根據(jù)飛機實際工況，模擬其工作狀態(tài)同步設(shè)計并開展了該PCB在濕熱試驗中的帶電（24 V 直流電）對比試驗。通過測試發(fā)現(xiàn)，帶電的PCB與不帶電的PCB導(dǎo)通電阻在試驗過程中的變化較為相似，暫未出現(xiàn)明顯的阻值增大情況，其變化值均在100 mΩ 以內(nèi)。但隨著試驗的進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)階段導(dǎo)通電阻變化趨勢，不難預(yù)見PCB 在試驗后的導(dǎo)通電阻將逐漸增大直至最終失效。分析認(rèn)為，因PCB上印制導(dǎo)線在試驗過程中出現(xiàn)了明顯的溶脹和鼓泡，見圖7 b），這使得導(dǎo)通電阻初步增加，而隨著時間的推進(jìn)，受鹽霧中Cl-介質(zhì)和濕氣以及溫度交替變化的影響，印制導(dǎo)線表面覆蓋層的腐蝕明顯擴展，最終，覆蓋層剝落，印制導(dǎo)線裸露腐蝕使得PCB的導(dǎo)通電阻增大。試驗結(jié)果表明，帶電試驗對PCB的導(dǎo)通電阻的影響整體較?。ㄟ@可能與飛機本身的通斷電狀態(tài)相關(guān)性較低有關(guān)），導(dǎo)通電阻受外界環(huán)境影響較大。

2.4.2 絕緣耐壓變化

PCB經(jīng)過不同試驗時間后的同層之間、異層之間絕緣電阻變化見圖9。從圖中可知，該種PCB 在試驗后同層之間絕緣電阻變化與異層之間絕緣電阻變化規(guī)律相似，PCB的絕緣電阻變化主要分為2個階段：第1 階段為試驗前1 000 h，PCB 的絕緣電阻相對穩(wěn)定不變，阻值均大于10 GΩ；第2 階段為試驗1 000 h 以后，隨著試驗時間的持續(xù)增加，PCB 的絕緣電阻明顯降低，且降低幅度明顯增大，受鹽霧和溫濕度的交替影響，絕緣電阻的阻值最終降低在1～4 GΩ 之間。盡管絕緣電阻在鹽霧和交變濕熱循環(huán)試驗1 680 h 后出現(xiàn)了明顯的降低趨勢，但PCB 同層之間、異層之間依然能承受60 s 的500 V 交流電壓，介質(zhì)耐電壓檢測均為“合格”，僅在1 200 h 后開始出現(xiàn)極小的漏電流現(xiàn)象。

圖13 不同試驗時間后PCB絕緣電阻變化Fig.13 Change of PCB insulation resistance after difference test time

已有研究[23-24]表明，鹽霧環(huán)境中含有的NaCl 和交變濕熱環(huán)境中的水以及氧氣等很容易腐蝕電路板，其腐蝕形式主要有2種：一是破壞PCB表面的覆蓋層；二是腐蝕PCB 本身的材料。在腐蝕的第1 階段，由于PCB受表面覆蓋層的保護(hù)，其絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓均未發(fā)生明顯變化。隨后，表面覆蓋層受環(huán)境中的Cl-等介質(zhì)影響，逐漸發(fā)生腐蝕破壞且破壞程度逐漸增大，同時，大量的腐蝕氧化產(chǎn)物產(chǎn)生，最終腐蝕PCB本身材料，使得其導(dǎo)電性能增強，絕緣性能和介質(zhì)耐電壓降低。

3 結(jié)論

1）PCB 在鹽霧和交變濕熱循環(huán)試驗中的腐蝕特征出現(xiàn)在其焊點、焊盤、印制導(dǎo)線和引線頭等關(guān)鍵金屬部位，其基材面漆的腐蝕破壞以裂紋為主。為提升PCB在海洋大氣環(huán)境中的使用壽命，應(yīng)當(dāng)在其實際應(yīng)用中加強關(guān)鍵部位的保護(hù)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。

2）PCB 印制導(dǎo)線和焊盤均在鹽霧和交變濕熱循環(huán)試驗1 200 h后開始出現(xiàn)明顯的腐蝕，整個試驗過程中：印制導(dǎo)線的腐蝕演變過程主要表現(xiàn)為溶脹、鼓泡、開裂、脫落和銅導(dǎo)線的腐蝕氧化；焊盤的主要表現(xiàn)則是表面焊錫層和焊盤基材銅的氧化腐蝕，且腐蝕擴展范圍可達(dá)2 mm以上。

3）PCB的導(dǎo)通電阻受帶電試驗影響較小，受環(huán)境因素的影響相對較大。在鹽霧和交變濕熱循環(huán)試驗1 000 h 后，其導(dǎo)通電阻逐漸增大，最終增至約初始值的50%。

4）PCB在鹽霧和交變濕熱循環(huán)試驗中，其同層之間、異層之間絕緣電阻變化規(guī)律相似，阻值變化主要分為2個階段：第1階段為試驗1 000 h前，其絕緣電阻未發(fā)生明顯變化，均大于10 GΩ；第2 階段為試驗1 000 h 后，絕緣電阻表現(xiàn)出明顯的降低趨勢，最終降低在1～4 GΩ 之間。整個鹽霧和交變濕熱循環(huán)試驗中，PCB的介質(zhì)耐電壓測試均為“合格”。