印刷線路板在復合環境下的腐蝕

文 | 工業產品環境適應性國家重點實驗室 中國電器科學研究院 寧文濤 馮 皓 趙鉞

印刷線路板在復合環境下的腐蝕

Corrosion of Printed Circuit Board in Compound Environment

文 | 工業產品環境適應性國家重點實驗室 中國電器科學研究院 寧文濤 馮 皓 趙鉞

印刷線路板幾乎會出現在每一種電子設備當中，它是以絕緣材料輔以導體配線所形成的結構元件。印刷線路板的腐蝕形式符合大氣腐蝕的基本規律，但又有自己的特點。本文概述了印刷線路板在氣體污染物、灰塵、潮濕、高溫等多因素復合環境條件下的失效形式及腐蝕機理，其主要的腐蝕形式是：電偶腐蝕、電解腐蝕和縫隙腐蝕；文中還簡單總結了印刷線路板腐蝕的主要影響因素，其主要的影響因素是：濕度、溫度、腐蝕性氣體和固態污染物等。

Abstract:PCB is a structural element which is formed by insulation material and combined with conductor wiring. It is almost extensively used in all electronic equipment. The corrosion pattern of PCB consists with the basic rule of atmospheric corrosion. However, it has its own characteristics also. This paper summarizes the failure mode and the corrosion mechanism of PCB in the compound environment of many factors such as gas pollutant, dust, moist, high temperature etc. The main corrosion patterns of PCB include galvanic corrosion,electrolytic corrosion and crevice corrosion. The main influence factors of PCB corrosion are also summarized in this paper, including moist, temperature, corrosive gas and solid pollutant etc.

印刷線路板；腐蝕；機理；影響因素

Key words:PCB corrosion；mechanism；influence factor

印刷線路板（Printed circuit board ，簡稱PCB）。它幾乎會出現在每一種電子設備當中，它是以絕緣材料輔以導體配線所形成的結構元件。眾所周知，暴露在大氣中的所有材料都不可避免地遭受大氣腐蝕的危害。集成電路系統的日益小型化、電子元件體積的減小及相互間距離的縮短，使得極微量的吸附液膜或腐蝕產物都會對電子元件及設備的操作產生嚴重的影響[1]。即使在符合環保要求環境中，印刷線路板的腐蝕仍十分嚴重[2]。印刷線路板若發生腐蝕，往往會發生接觸不良、信號傳輸不正常等現象，造成電子設備中邏輯元件的信號錯誤，產生誤判斷，嚴重時會影響設備的正常運行、信息的有效傳輸、企業的正常生產等。

本文概述了印刷線路板在氣體污染物、灰塵、潮濕、高溫等多因素復合環境條件下的失效形式及腐蝕機制，簡單總結了印刷線路板腐蝕的主要影響因素。

1 印刷線路板的主要腐蝕失效形式

印刷線路板在氣體污染物、灰塵、潮濕、高溫等多因素復合環境條件下很容易發生腐蝕而失效，在掃描電子顯微鏡下可以觀察到的主要失效形式有[3]：

1.1 微孔腐蝕：印刷線路板中金屬在微孔處有局部腐蝕產物存在。

1.2 邊緣腐蝕：暴露在印刷線路板邊緣和接觸點邊緣的銅和鎳等金屬發生腐蝕。

1.3 邊緣蠕變：一般與貴金屬表面有關的一種現象，基底金屬腐蝕產物沿邊緣蠕動，擴散到最外層的貴金屬表面上。

1.4 膜：印刷線路板中有機物釋放出的有機氣體凝結在印刷線路板表面而形成的絕緣性膜層。

1.5 碎屑的堆積：絕緣材料在接觸點處的積累。

1.6 灰塵：存在于印刷線路板上或接觸點表面上的外來固體微粒。

2 印刷線路板的腐蝕機制

2.1 化學腐蝕

SO2、H2S、Cl2等腐蝕性氣體與組成電子元器件的金屬直接發生化學反應，或空氣中的酸性氣體在金屬表面凝結形成酸性液膜直接與印刷線路板中的金屬作用，這些反應都屬于直接的化學腐蝕。

2.2 電化學腐蝕

絕大多數情況下，印刷線路板的腐蝕是電化學腐蝕。印刷線路板中金屬種類較多，相鄰不同材料間存在一定的電位差，而元器件間起絕緣或保護作用的涂層在潮濕甚至缺水的情況下，均有可能產生良好的離子導電性通道，這種情況下就形成了一個腐蝕原電池。由于印刷線路板元件體積小，空間密度很大，當元器件表面存在著微量腐蝕產物時，就會嚴重影響其性能指標，甚至導致元件和設備失效。根據印刷線路板自身的特點以及在復合環境下發生腐蝕的形態可將其分為如下幾類：

2.2.1 電偶腐蝕：兩種不同金屬或一種金屬與其他一些導電性材料（如石墨）相互接觸，在潮濕條件下，便會發生電偶腐蝕。如Al與Au相連時會發生Al的腐蝕。另外，微孔腐蝕是一種經常發生在鍍金等貴金屬元件上的特殊的電偶腐蝕[4,5]。由于貴金屬鍍層表面微孔和其他缺陷的存在，中間過渡層甚至基體金屬就暴露在大氣中，從而產生一個電偶對，導致基體金屬在微孔處的腐蝕。腐蝕產物填充微孔，沿著孔壁遷移，最后到達外表面，使得元件接觸電阻大大增加。如當Cu表面鍍覆Au膜較薄時，Cu會在微孔和其他缺陷處暴露在大氣中，發生微孔腐蝕。

腐蝕產物的蠕動也是電偶腐蝕的一種表現形式。電路板中發生電偶腐蝕時常可以觀察到腐蝕產物蠕動現象。基體金屬（如Cu）在接觸點的邊緣發生腐蝕時，腐蝕產物會沿邊緣擴散到最外層的貴金屬表面上。這種腐蝕與濕度和材料本身有關，如銅和銀的腐蝕產物在Cl2或H2S存在的情況下，可迅速遷移到鍍金層的表面，而鎳的腐蝕產物卻不能移動。有研究表明，鍍金層表面經過長期室內自然暴露后的微孔腐蝕產物不但有明顯突起的腐蝕核，而且有圍繞腐蝕核的腐蝕暈圈。不僅如此，非貴金屬材料表面形成的腐蝕物并不連續成膜，而是在氧化膜層中形成離散的島狀突起[6,7]。這些形貌復雜的腐蝕產物使接觸電阻變得不穩定，造成電路板失效。

2.2.2 電解腐蝕：在導體被吸濕性材料隔開時，盡管相鄰導體通道之間的電壓相當低（通常不超過10V），但極短的通道間距能產生很強的電場。在潮濕的使用環境下存在液膜時，具有較高電位的導體被溶解，形成的離子向另一邊導體遷移，最終導致設備失效[8]。如印刷線路板安裝組件下面的兩條正、負極印刷線，在凝結濕氣的作用下，使正極線受到腐蝕溶解，腐蝕產物向負極線上沉積而引起短路。

2.2.3 縫隙腐蝕：縫隙腐蝕是由于金屬與金屬，金屬與非金屬的表面間存在縫隙，并有介質存在時而發生的局部腐蝕形態。通常在印刷線路板中由于封裝材料與基板、器件間的熱膨脹系數不同造成的CTE失配常常會引起縫隙腐蝕[9]。絲狀腐蝕是縫隙腐蝕的一種特殊表現形式，印刷線路板表面通常會刷涂一層絕緣防護漆，在帶有涂層的金屬表面上往往產生形如絲狀的腐蝕，因多數發生在漆膜下，因此也稱膜下腐蝕[10]。

2.3 外來物引起的腐蝕

沉積的顆粒和灰塵可以從大氣中吸收水分和氣體污染物，在元件表面上形成腐蝕性更強的電解液膜，也可以產生縫隙等，導致元件在鄰近顆粒或灰塵處發生電化學腐蝕。適宜的條件還會引起微生物的生長，形成有機物層的積聚，微生物生命活動的結果直接或間接參與腐蝕過程，給印刷線路板和元器件帶來腐蝕。

3 印刷線路板腐蝕的主要影響因素

3.1 濕度：它是決定大氣腐蝕速率的最重要因素。一般來說，空氣中濕度越大，金屬表面越易結露，表面上的電解液膜存在的時間也越長，腐蝕速度也相應增加。各種金屬都有一個腐蝕速度開始急劇增加的臨界濕度，金屬在超過臨界濕度后，腐蝕速率急劇增加。當空氣中存在污染物時，臨界濕度值將隨污染物濃度的增加而降低。鋼鐵、銅、鎳、鋅等金屬的臨界濕度約在50%～70%之間[11]。

3.2 溫度：溫度不僅對電子元器件的材料物理化學性能、電性能以及機械性能具有明顯的影響作用，而且顯著地影響到電子元器件的腐蝕過程。溫度的影響應與環境大氣相對濕度綜合考慮，當相對濕度低于金屬臨界相對濕度時，溫度對腐蝕的影響很小，溫度的升高反而有驅除濕氣的作用。但當相對濕度達到金屬的臨界濕度時，溫度對腐蝕的影響作用明顯。大氣腐蝕過程涉及到許多被溫度影響的參數，如金屬的溶解速率和再鈍化速率，吸附水量以及腐蝕性氣體的濃度等。溫度變化可能會改變反應的控制步驟，從而影響腐蝕速率和機制。一般情況下，溫度每增加10℃，環境的腐蝕性可增加一倍，因而溫度的升高通常會加速材料已有的腐蝕過程，誘發失效。印刷線路板中的絕緣材料在高溫下會分解出有機氣體，不僅改變其自身電氣特性，而且對鄰近元器件也會產生腐蝕作用。并且溫度循環在電子元件上產生的熱應力及低周熱疲勞效應與環境濕度的腐蝕作用相互疊加，也會導致電子元件腐蝕疲勞破壞。

3.3 腐蝕性氣體：工業環境中常見的腐蝕性氣體有：SO2、H2S、Cl2、HCl、O3和氮氧化物等[12]。腐蝕性氣體的存在能加速大氣腐蝕，SO2、H2S、Cl2和O3是促進水膜下金屬腐蝕的重要因素。氯氣和氯離子及活潑硫化物可直接與多種金屬起作用，產生腐蝕。特別在有濕氣共存時，微量的無機氯化物的存在可大大加速硫化物的腐蝕作用，許多工業過程中環境的腐蝕性主要來自硫化物和Cl-。Cl-通常會破壞鈍化膜，促進小孔腐蝕。同時，C12能降低金屬表面液膜的pH值，Cl2與金屬反應生成吸濕的腐蝕產物進而影響金屬表面的吸附水量[13,14]。硫化物對印刷線路板中金屬導體產生的輕微腐蝕甚至會使印刷線路板完全失效，而H2S是含硫化合物中影響材料耐蝕性的一個主要代表，它可與Ag在各種濕度條件下反應[15-17]，還能使Cu及其合金迅速硫化，生成Cu2S，然后逐漸氧化生成硫酸鹽。

3.4 固態污染物：空氣中的固態污染物主要是懸浮在空氣中的塵埃。塵埃顆粒對腐蝕物的形成和線路板的接觸失效會造成直接的影響。塵埃具有吸濕性，金屬表面上的塵埃吸收空氣中的水份而變濕，變濕的塵埃又可加速從空氣中吸收污染氣體，使污染氣體溶解并累積起來加速腐蝕。

4 結束語

印刷線路板在氣體污染物、灰塵、潮濕、高溫等多因素復合環境條件下容易腐蝕失效，從而影響信息的傳輸和設備的正常運行。但由于線路板中涉及到的材料種類繁多以及大氣腐蝕本身的復雜性和電工電子設備服役環境的千差萬別，使得對印刷線路板的腐蝕和防護的認識還只停留在初期階段。不僅應進一步采用先進的電化學方法、材料的微觀分析方法等技術深入研究印刷線路板的腐蝕失效原因和機理，還應從印刷線路板服役角度整體考慮環境因素的變化及影響，并據此提出有效的防護措施，以提高電工電子設備的環境適應性及使用的可靠性。

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寧文濤，男，1983年。主要研究方向：金屬的腐蝕與防護。