緩蝕劑對熱帶海洋大氣環(huán)境下印制電路板的防護(hù)性能

劉 琦，郁大照，喬松然，王 琳，王希彬，許振曉

（1.海軍航空大學(xué)，山東煙臺 264001；2. 92279部隊，山東煙臺 264003；3.中國商飛上海設(shè)計研究院，陜西西安 710089）

在濕熱、鹽霧等氣候環(huán)境應(yīng)力的作用下，機(jī)載電子設(shè)備具有更加強(qiáng)烈的腐蝕傾向、速度和程度[1-2]。印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）作為承載電子元器件并實現(xiàn)電氣互聯(lián)功能的重要載體，一旦發(fā)生腐蝕，可能會引發(fā)短路、斷路以及串電等諸多問題，甚至可誘發(fā)電氣故障和系統(tǒng)錯誤，從而影響作戰(zhàn)使用和飛行安全[3-4]。

電氣元器件在海洋大氣環(huán)境下的腐蝕，本質(zhì)上是電化學(xué)腐蝕，施加緩蝕劑的作用就是切斷電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)鏈路。在已經(jīng)完成結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇的機(jī)載設(shè)備中，使用緩蝕劑是1種成本可控、操作簡便并且效果可以得到驗證的腐蝕控制方法[5-9]。國內(nèi)外對PCB 在緩蝕劑防護(hù)下的效果和機(jī)理開展了廣泛的研究。文獻(xiàn)[10]研究了PCB 在薄液膜下的大氣腐蝕過程，認(rèn)為經(jīng)過長時間暴露后，PCB 表面的微孔腐蝕區(qū)域會產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致Cl-滲透到基體Cu中；文獻(xiàn)[11]通過開展?jié)駸岷退嵝源髿庋h(huán)試驗，總結(jié)出PCB的腐蝕損傷歷程可以分為表面鍍層腐蝕、基底金屬腐蝕發(fā)生與擴(kuò)展、元器件芯腔內(nèi)腐蝕失效3個階段；文獻(xiàn)[12]采用電化學(xué)測試和Kelvin探針等方法，測定了PCB的腐蝕速率隨加速試驗周期的變化規(guī)律，解釋了從局部區(qū)域腐蝕到均勻腐蝕的轉(zhuǎn)換過程；文獻(xiàn)[13]針對艦載機(jī)服役的海洋環(huán)境，開展了Super CORR-A 緩蝕劑條件下PCB的加速腐蝕試驗研究，發(fā)現(xiàn)該緩蝕劑具有良好的水置換能力、滲透能力和成膜能力，可有效抑制和減緩PCB 的腐蝕；文獻(xiàn)[14]通過試驗測評了國產(chǎn)DZ-1電子設(shè)備緩蝕劑的使用性能，其中包括基本物理性能、海水置換性、金屬腐蝕性、耐鹽霧性能、電學(xué)性能以及材料適應(yīng)性等；文獻(xiàn)[15]采用密度泛函理論和分子動力學(xué)方法，研究了2 種緩蝕分子的反應(yīng)活性和熱力學(xué)性質(zhì)，為銅箔軋制油緩蝕劑確定了最佳復(fù)配比；文獻(xiàn)[16]研究了某混合抑制型緩蝕劑復(fù)配體系在模擬酸性海洋大氣環(huán)境中對鋅的腐蝕影響，分析了其緩蝕性能和機(jī)理；文獻(xiàn)[17]針對銅/鋁在特定環(huán)境中的腐蝕問題，從腐蝕介質(zhì)運(yùn)動、侵蝕粒子和局部腐蝕的角度，研究了新型緩蝕劑的性能。

可以發(fā)現(xiàn)，在以往的緩蝕劑對PCB的防護(hù)效果研究中，主要采取了實驗室加速或模擬試驗的方式，這種方式雖然具有周期短、條件可控及數(shù)據(jù)獲取方便等優(yōu)點，但實驗室模擬的試驗環(huán)境突出強(qiáng)化了某些重要的影響因素，其作用效果可能與實際海洋環(huán)境有所不同，因而開展自然暴露試驗是十分必要的。

本文采用棚下大氣暴露試驗的方法，研究3 種不同電子電氣設(shè)備專用緩蝕劑在典型熱帶海洋大氣環(huán)境下對PCB的防護(hù)效果，觀察對比其腐蝕形貌和導(dǎo)電性能變化等行為，為揭示PCB腐蝕規(guī)律和電子設(shè)備防腐蝕維護(hù)工作提供參考。

1 試驗

通過自然暴露試驗，觀察使用了3 種不同緩蝕劑和未使用緩蝕劑的PCB的不同腐蝕行為，對比驗證不同緩蝕劑的防護(hù)效果。

1.1 試樣

本試驗使用3種不同類的國產(chǎn)電子電氣產(chǎn)品專用緩蝕劑，編號分別為H1、H2和H3。其中，H1牌號為DJ823，H2牌號為T20，H3為某公司新研產(chǎn)品，無牌號。

試件為16片PCB，每4片為1組，各組分別為使用不同緩蝕劑和不使用緩蝕劑的狀態(tài)。制作試樣時：首先，使用無水乙醇清洗樣品表面，去除油污或手汗的影響；然后，按照分組對樣品噴涂不同類型的緩蝕劑，待緩蝕劑自然風(fēng)干后，測試樣品的初始電性能，測試參數(shù)為導(dǎo)通電阻；最后，對全部樣品進(jìn)行全面的外觀檢查并拍照記錄。試驗PCB如圖1所示。

圖1 試驗PCBFig.1 Test PCB

1.2 棚下大氣暴露試驗

機(jī)載PCB 主要應(yīng)用在飛機(jī)封閉或半封閉艙室內(nèi)的電子設(shè)備中，不直接接觸外部大氣環(huán)境，因此，本試驗采用棚下大氣暴露試驗的方法。試驗地點為我國南海某島礁天然暴露試驗場，參照GJB 8893—2017《軍用裝備自然環(huán)境試驗方法》[18]的要求具體實施。

試驗共進(jìn)行4次取樣，每次在每組各取1片，取樣時間分別為第3、6、9和第12個月。

1.3 腐蝕形貌和產(chǎn)物觀測

每次取樣后，使用干凈的軟毛刷和紗布清理表面積鹽，詳細(xì)記錄試驗件外觀，并進(jìn)行相關(guān)測試。采用掃描電鏡和能譜分析等技術(shù)手段對試驗件微觀腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物成分特征等進(jìn)行觀測和分析。

1.4 導(dǎo)通電阻測試

每次取樣后，選擇PCB固定位置的通孔測量導(dǎo)通電阻，每個試樣測量5次后取平均值，測試位置如圖2紅色框線所示。測試設(shè)備為直流低電阻測試儀，型號TH22512B，精度1 μΩ。

圖2 PCB通孔導(dǎo)通電阻測試位置（紅色框線）Fig.2 PCB through-hole on-resistance test position(red box line)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

不同取樣時間下的PCB宏觀形貌，如圖3所示。

圖3 不同試驗階段的PCB宏觀腐蝕情況Fig.3 Macroscopic corrosion conditions of PCBs at different test stages

暴露3個月時，引線孔均未出現(xiàn)明顯腐蝕。暴露6個月時：未使用緩蝕劑的樣品出現(xiàn)了輕微的腐蝕，有少量引線孔表面生成了黃色產(chǎn)物；使用緩蝕劑的樣品未見腐蝕。暴露9 個月時：未使用緩蝕劑樣品已經(jīng)腐蝕得非常嚴(yán)重，幾乎全部引線孔周圍都堆積了大量的深褐色腐蝕產(chǎn)物；使用H1、H2樣品未見明顯腐蝕；使用H3樣品的有少部分引線孔表面出現(xiàn)了少量淡黃色腐蝕產(chǎn)物。暴露12個月時：未使用緩蝕劑的樣品已經(jīng)全部腐蝕，表面堆積大量黑色產(chǎn)物；使用H1、H3的樣品也出現(xiàn)了一定程度的腐蝕，部分引線孔有黃色腐蝕產(chǎn)物堆積；使用H2的樣品腐蝕程度最為輕微，部分引線孔周圍堆積了少量顏色較淺的產(chǎn)物。

從宏觀腐蝕形貌的角度進(jìn)行對比，防護(hù)效果為H2＞H1,H3＞無緩蝕劑。

2.2 微觀腐蝕形貌與產(chǎn)物

對自然暴露12 個月的PCB 進(jìn)行電鏡觀察和能譜分析，結(jié)果如圖4所示。可以看出，各樣品均發(fā)生了比較嚴(yán)重的腐蝕。未使用緩蝕劑的樣品腐蝕最為嚴(yán)重，引線孔被大量黑色產(chǎn)物覆蓋，多處形成鼓泡；使用緩蝕劑H1和H2的樣品引線孔表面也被腐蝕產(chǎn)物完全覆蓋，形成了較多數(shù)量的鼓泡；使用H3緩蝕劑的樣品引線孔表面被較多的黑色產(chǎn)物覆蓋，部分區(qū)域呈現(xiàn)白色金屬光澤，可能是由于表面腐蝕產(chǎn)物受外力作用脫落而成。通過元素分析可知，通孔表面的腐蝕產(chǎn)物中含有少量的Cl 和Na，這表明海洋大氣中存在鹽分的沉降，但由于試驗件處于棚下環(huán)境，沉降量較少。各樣品腐蝕產(chǎn)物的主要成分是Sn、O、C和Pb，應(yīng)是基材Sn和焊料中Pb 的氧化物和少量氯化物。其中，使用H3的樣品表面O 元素所占原子百分比最少，為20.25%，由此判斷H3具有更好的防護(hù)效果。

圖4 PCB微觀腐蝕形貌及產(chǎn)物組分Fig.4 Microscopic corrosion morphology and product composition of PCBs

從微觀腐蝕形貌和產(chǎn)物角度分析，3 種緩蝕劑的防護(hù)效果基本一致，H3的防腐蝕效果略優(yōu)于另2種。

2.3 電氣性能

對PCB 在試驗的第3、6、9 和第12 個月時分別進(jìn)行了導(dǎo)通電阻測試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 PCB測試孔位的導(dǎo)通電阻變化情況Fig.5 Change of on-resistance of PCB test holes

測試導(dǎo)通孔的初始導(dǎo)通電阻均值為31.33 mΩ，噴涂緩蝕劑后，電阻增幅均在1.5 mΩ以內(nèi)。開始暴露試驗后：未使用緩蝕劑樣品的接觸電阻明顯高于使用緩蝕劑的樣品，接觸電阻與時間呈整體上升趨勢，與腐蝕程度正相關(guān)。但是未使用緩蝕劑樣品在第12 個月時，其接觸電阻出現(xiàn)了較大幅度的下降，原因是腐蝕深度加深導(dǎo)致內(nèi)層引線暴露串?dāng)_。

每次測量的導(dǎo)通電阻較前1次取樣的增幅，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)通電阻較前1次取樣的增幅Fig.6 Increase of on-resistance from the previous sample

未使用緩蝕劑的PCB在第1次取樣時即產(chǎn)生了最大的電阻增幅百分比，隨后增幅逐步降低。而使用緩蝕劑的PCB的電阻增幅百分比整體在5%～25%之間波動，說明緩蝕劑對PCB的腐蝕具有抑制作用。

從電氣性能參數(shù)角度分析，使用緩蝕劑效果優(yōu)于不使用緩蝕劑，緩蝕劑H2、H3效果基本一致，且從第9個月開始表現(xiàn)均優(yōu)于H1。

3 結(jié)論

只有根據(jù)環(huán)境條件和被保護(hù)對象的特點來選擇緩蝕劑，才能充分發(fā)揮緩蝕劑效能，達(dá)到最優(yōu)的保護(hù)效果。本文對使用3種不同種類緩蝕劑和未使用緩蝕劑的PCB 進(jìn)行了棚下大氣暴露對比試驗，從腐蝕外觀、腐蝕產(chǎn)物及電氣性能參數(shù)變化方面分析了3 種緩蝕劑的作用效果。從宏觀腐蝕形貌的角度分析，防護(hù)效果為H2＞H1,H3＞,無緩蝕劑；從微觀腐蝕形貌和產(chǎn)物角度分析，H3的防腐蝕效果略優(yōu)于其他2種緩蝕劑；從電氣性能參數(shù)角度分析，防護(hù)效果為H2,H3＞H1＞無緩蝕劑。本研究的結(jié)論可為飛機(jī)電子設(shè)備的外場使用維護(hù)提供參考。后續(xù)，可根據(jù)不同緩蝕劑的防護(hù)原理，結(jié)合被保護(hù)對象和環(huán)境條件的特點，開展相關(guān)的自然暴露和實驗室加速試驗，為篩選出高效緩蝕劑產(chǎn)品和提高腐蝕防護(hù)工作提供有益參考。