印制電路板組件“三防”試驗失效分析與案例

中船重工集團第七二二研究所 鮑秀森 B A OX i u-s e n

印制電路板組件“三防”試驗失效分析與案例

中船重工集團第七二二研究所 鮑秀森 B A OX i u-s e n

通過“三防”試驗分析與案例，提高三防設計或工藝的科學性、合理性。本文闡述了濕熱、鹽霧、霉菌試驗失效主要原因與案例,本文闡述了影響聚對二甲苯氣相沉積涂敷,鍍覆,液態涂料涂敷，應力篩選,密封等試驗失效因素,從試驗方法、工藝控制、材抖選擇等諸多方面進行分析,探討“避免”失效的措施。

環境試驗；失效分析；案例

1.言

在現代化戰爭中，軍事電子產品的“三防”處理（防濕熱、防鹽霧、防霉菌）是確保軍事電子產品有效工作的重要工藝措施。作為軍事電子產品基本單元的印制電路板組件將時時處處受到濕熱、鹽霧、霉菌等惡劣環境的影響，我們可以看到電子設備在濕熱、鹽霧、霉菌條件下，金屬件、元器件、電路經常發生腐蝕，絕緣電阻下降，信號傳輸失真，導致設備失效，所造成的損失是巨大的。根據統計，電子設備的失效（故障）有20%以上是由于腐蝕引起的，而腐蝕與濕熱、鹽霧、霉菌有密切的關系。有關專家曾指出，濕熱、鹽霧、霉菌引起的腐蝕失效是繼熱過載和功率過載之后，電子系統出現故障的主要原因，印制電路板組件“三防”試驗失效分析，足見其重要性。

軍事電子產品的“三防”環境試驗是考核軍事電子產品“三防”設計或材料 、元器件抗濕熱、鹽霧、霉菌能力的重要手段,通過“三防”試驗失效分析與案例，提高“三防”設計或工藝的科學性、合理性至關重要。

2.霧試驗失效分析與案例

鹽霧試驗對產品的影響主要是化學反應，如腐蝕、電蝕、表面劣化等化學現象，因為其主要成分是NaCl，化學反應分解為堿性的HO根離子和酸性的Cl離子，尤其是Cl離子具有很小的水合性，容易吸附在金屬表面，同時，Cl離子的半徑很小（1.81*10-10），具有很強的穿透能力，導致防護材料保護膜出現小孔，破壞金屬鈍化，與金屬產生化學反應，導致腐蝕。

2.1.對二甲苯氣相沉積涂敷失效案例

聚對二甲苯它是在真空狀態下沉積產生，可以應用在液態涂料所不敢涉及的領域如高頻電路、極弱電流系統的保護上。聚合物薄膜涂層厚度是影響聚對二甲苯氣相沉積敷防護失效主要原因,（見圖1）。

圖1. a r y l e n e膜涂層局部銹蝕失效

印制電路板組件聚合物薄膜涂層3～7微米厚度局部銹蝕失效,在不影響高頻介電損耗情況下涂層厚度應≥30微米。

2.2.覆試驗失效分析與案例

基體材料為鐵、鋼、鋁、銅以及金屬合金材料的元器件均是容易被腐蝕的對象，（見圖2）因此，需要使用鍍覆進行保護，常用的鍍覆方式有：鍍鉻、鎳、鋅、金、銀等，以及鋁板上導電氧化處理等鍍覆工藝，根據使用的需求和地方氣候條件不同而選用不同方式的鍍覆工藝。

圖2.件外殼產生局部銹蝕

2.2.1.鋅鍍覆失效案例

XX系列連接器的失效分析分：連接器基體材料為鋁，表面進行了電鍍鎳處理，按照產品技術規范要求進行了相關的驗證試驗并提供了證明文件，如：做過高溫、濕熱、沖擊鹽霧等試驗以及出廠檢驗等，證明提供的該批次產品是合格產品。腐蝕的原因是什么呢，認為是電子設備在海洋氣候高濕熱、高鹽霧、易霉菌基地安裝，由于空氣中有較大濕度并含有鹽份，另外船體焊接鋼板時產生的氧化物 和 氟 化 物 ， 如Fe2O3、 SiO2、 TiO2、 MnFe2O4、K2C O3、 CaF2、KF、NaF等腐蝕性煙霧，以及伴隨著物理反應的電焊弧光、高頻電磁波、熱輻射等，再加高溫天氣，以上綜合因素加速了連接器的腐蝕。同時，在安裝調試時，電連接器需要反復的拆裝，在拆裝過程中可能出現碰傷、劃傷，汗嘖等因素，破壞了表面防護層，也是導致加速腐蝕的直接原因。

分析結果表明，實驗室模擬的鹽霧試驗是能夠起到證明產品的抗腐蝕能力，但是，不是絕對的，實驗室僅僅是只能模擬海水的含鹽濃度（1-4%的NaCl溶液）加速對產品的腐蝕，而不能模擬實際使用環境條件，以上所說的不利因素與實際使用中的環境是有著較大的區別，一旦達到產品防護等級的極限環境條件，就會造成產品的失效。鑒于腐蝕嚴重，該連接器不符合使用要求，而將連接器更換為抗腐蝕性能更好的1Cr18Ni9Ti電連接器。

2.3.態涂料涂敷試驗失效分析與案例

印制電路板組件“三防”保護將主要使用液態涂料。根據我所印制電路板組件的試驗失效情況來看，主要暴露出問題是涂覆工藝問題，沒有嚴格按照制定的工藝進行生產。

2.3.1.制電路板組件涂覆失效案例

案例1在焊接有器件和插槽的印制電路板組件進行48h的鹽霧試驗后，出現印制電路板組件金屬殼表面漆膜裂紋或脫落現象而導致其生銹，其他元器件、焊點等均沒有生銹，涂覆清洗工藝不到位，金屬殼表面沒有清理干凈，導致表面有雜質/污垢附著，涂覆層沒有很好的附著力，在受到溫度的變化和100%RH的濕度條件以及鹽溶液的浸泡作用，產生涂覆層和金屬層剝離，出現起皮和生銹現象。

圖3.振金屬殼銹蝕

圖4.霧試驗

案例2晶振體進行48h的鹽霧試驗后金屬殼底部出現銹蝕（見圖3 、 4），晶振體金屬殼底部腐蝕是底部未進行涂覆防護導致，因為晶振體金屬殼底部與印制板間隙≤2mm沒有辦法噴涂三防漆，應該是在晶振體金屬殼底部與印制板接觸處采取硅膠封閉或其他防護方式。

出現在試驗室內模擬試驗通過而在安裝使用時出現問題，一方面是涂覆材料和工藝生產問題，另一方面也表明現在的試驗方法與實際使用狀態存在著較大差別，因此，環境工程人員也在探討更符合實際使用的試驗方法，a）鹽霧試驗的發展趨勢從恒溫試驗轉到循環鹽霧試驗，國外已經采用多功能循環腐蝕試驗，即在一個箱子內完成鹽霧、濕熱、干燥、導入空氣和時間控制，更進一步模擬真實的海洋自然環境，達到更好的試驗效果。b）鹽霧沉降率是鹽霧試驗中的一個重要技術指標，目前大多數實驗室采用的壓縮空氣噴霧塔方式，發展趨勢為超聲波霧化法形成，其產生的鹽霧沉降率更加均勻，鹽霧霧粒直徑更小（幾微米到20微米之間），試驗方法更加符合標準試驗方法。

實驗室大量 腐 蝕案例中，基本反應都是涂覆工藝生產問題，不是涂覆材料質量問題，也不是涂覆工藝制定的問題，因為涂覆工藝及材料可以根據三防設計規范為指導，而是涂覆生產過程出現問題，表面清洗的干凈與否，涂層的厚度、均勻度的一致性與否等，都是導致大量的試驗失效案例。

3.熱試驗失效分析與案例

濕熱試驗會產生化學反應和物理反應，化學反應表現為金屬的氧化或電蝕；物理反應表現為材料特性的變化，例如：由于吸附作用引起材料膨脹；物理強度降低；彈性或塑性改變；產生凝露和游離水導致電氣短路等。近年來，濕熱試驗中產品出現的問題是越來越少，尤其是在電氣性能方面，表明三防技術和工藝制造上越來越受到重視。

3.1.封設備功能失效

我所XX密封設備，在做交變濕熱試驗時（溫度30～60℃，相對濕度95%），產品不能夠正常工作。停機打開機箱進行察看，發現印制電路板組件的邊角與電容相連接處產生腐蝕，并且在機箱的底部有積水，印制電路板組件是經過三防處理，而且機箱是用密封條進行密封處理的，還是出現了潮濕腐蝕。分析結果表明：1)設計機箱的密封性不是絕對的，是相對的，在高溫高濕和低溫高濕的空氣條件下，由于結合處密封條與機箱在熱脹冷縮的環境下，材料的膨脹系數不一樣，造成不完全密封，也有可能密封條經過溫度濕度條件后產生老化，也不排除在裝備工藝上造成密封不好，使得高濕的空氣滲透到機箱內，由于機箱內是輻射傳導，熱平衡速率比試驗箱內溫度對流熱平衡慢，在溫度變化時，高水份的飽和空氣容易在機箱內產生凝露積水。2)印制板上的三防處理工藝問題，嚴格意義上，印制電路板組件上即使有水也難以造成腐蝕，必然是在涂覆三防漆的工藝過程中，電容腳跟部三防漆沒有涂覆好，因此，三防的涂覆工藝是直接影響到產品的適應環境的能力。

為了更好的提高設備的防潮濕能力，在試驗前，有必要進行預處理，因為機箱內是密封處理的，對外是不對流的，靠輻射傳導，交變濕熱試驗是會產生凝露和吸附物理現象，為了避免大量的凝露和吸附現象，保證機箱內的空氣濕度趨向于0%RH，絕對含水量少，機箱密封在理想條件下是可以實現的，因此，類似的機箱結構產品在做試驗前進行除濕處理，如在箱體內充氮氣或干空氣；在高溫干燥的環境條件下進行密封安裝等，確保箱內空氣干燥。反之，對于非密封型的產品，就要考慮機箱內空氣的流通性和排水能力，流通性越好，產品結構材料與空氣之間的溫度差容易減小，就不容易產生凝露，因為低溫高濕向高溫高濕的條件轉變時，空氣中的絕對含水量在增加，空氣溫度比產品的溫度上升快，達到一定的溫差時，產品上就會產生凝露，溫差越大，凝露現象越明顯，凝露的水沒有及時的排去，這一物理現象就會增加產品受到腐蝕的幾率和降低了絕緣強度，嚴重影響到產品質量。

3.2.漆涂層失效

XX控制機柜濕熱試驗出現油漆起層、起皺現象，這是在濕熱試驗中常常暴露的問題。出現油漆起皮主要問題是在做油漆防護處理時，底層處理不干凈造成，有污垢，導致油漆的附著力不夠均勻，在受到潮氣的滲透和溫度的變化作用下，出現了油漆起皮起泡表面現象，用手觸摸會破裂。分析認為起皺的原因仍然是底層處理不干凈有污垢造成，在潮氣的影響下出現金屬與膜層分離，經過溫度的變化，出現了起皺。因此，生產工藝的不足，表面的除污處理是導致類似情況失效發生的直接原因。

4.菌試驗失效分析與案例

霉菌試驗屬于真菌污染，能夠在大多數的有機材料上生存，霉菌的腐蝕主要影響到有機材料，如皮革、木材、織物、纖物、絲綢等，會造成絕緣材料表面由于濕潤的菌絲層形成導電通路而大幅度地降低絕緣電阻，在電子電路的電磁場內，引起電路頻率-阻抗特性發生嚴重的變化，材料受到侵蝕導致機械強度下降和其他物理性能的變化，長霉后既損外觀，又有霉味，使人感到厭惡。

霉菌試驗失效的影響沒有其他環境試驗對產品的影響直接和明顯，主要是試驗周期時間長，問題難以快速暴露，并且，暴露的問題對產品的影響是有限的，比如外觀受損、產生霉味等不影響電氣性能工作的事件，往往得不到工程設計人員的重視。霉菌試驗是裝備產品定型試驗的重要一項，從實驗室完成霉菌試驗的統計數據表明，霉菌試驗需求越來越大。由于霉菌試驗是掛樣進行，主要是因為其試驗周期長，試驗成本高，掛樣試驗基本可以驗證該使用的防護材料、涂覆工藝抗霉的等級。可見，霉菌防護在工程設計上逐漸得到重視。

我所霉菌試驗一般是采取掛樣試驗，合格后才能按照工藝進行生產。霉菌試驗因氣候影響而呈現出掛樣試驗合格慨率變化,對同一種材料、工藝生產的進行掛樣霉菌試驗時，第一批次霉菌等級為2級，第二批長霉等級由2級發展到≥3級，試驗結果不合格。原因分析認為，因為武漢地區梅雨季節濕度≥85～98%，夏季氣候高溫潮濕并且空氣質量差有利真菌生長，在生產、周轉過程中掛樣易受到真菌污染。

由于種種因素整機做霉菌試驗的事例較少，對于掛樣進行霉菌試驗的產品，僅僅是考核了有機防護材料的抗長霉能力，對于整機產品，不僅考核了產品外殼防護材料的抗霉等級，還考核了其在高濕度狀態條件下的防潮濕能力。由于霉菌試驗周期時間長，費用昂貴，并且受到霉菌試驗箱大小的限制，一般產品都是使用了掛樣方式進行代替整機考核驗證試驗，這不能夠充分暴露產品的缺陷，因此，建議有條件的單位實施整機霉菌試驗工作。

在大量的總結經驗中，防止長霉的方法有：盡量使用高度耐霉性材料；使用防霉劑；避免在裝配產品時形成長霉的潮濕區，如：不密封的插頭插座之間，將設備完全密封，并充干燥清潔的氣體，是防霉的最有效的方法；加強使用現場的空氣流通；及時清理沉積在設備上的灰塵；如有可能，使用加熱除濕設備；放干燥劑、紫外線或臭氧滅菌等方法。

5.束語

對于環境試驗失效現象的對策與措施,應圍繞著“三防”設計、工藝控制和試驗方法選擇進行。從材抖、器件選用、鍍覆表面處理到周轉過程等方面落實試驗措施,同時考慮整個防護工藝與環境試驗之間相互影響因素,最終使環境試驗順利。

[1]葉楊祥，潘肇基，涂裝技術實用手冊［M］北京：機械工業出版社1998.4

[2]電子行業工藝標準匯編［M］太原：電子工藝標準化技術委員會2005

[3]張學敏.涂裝工藝學.北京：化學工業出版社.2006.11

[4]GJB150軍用設備環境試驗方法［S］

Research on Shipborne Print Circuit Module ’ s“NBC Defense ” Technology

T his paper analyzes the “ th ree defenses”trials and cases to improve the “ three defenses”process more scientific and more rational.Specifically,it analyzes the hot and humid,salt spray,mold as well as other “ three defenses” main reason for test failure； and discusses the factors of failure reasons which include gathers xylene gas phase deposition painting,plates duplicating,liquid state coating painting,stress screening,seal.Then it attempt topropose the measures and methods avoiding failure by discussing from the test methods,process control,material selection and many other aspects of buffeting.

environmental test;analysis of effect failure;cases

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鮑秀森，男，研究方向;涂裝工藝.環境試驗。