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        電路板的大氣污染物典型腐蝕分析及防護
        更新時間:2020-09-15 09:13:10
        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...
        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******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,******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?;覊m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***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***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***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,***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,***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,******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。

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