熱帶海洋環(huán)境條件對(duì)印制電路板性能參數(shù)的影響分析

袁 敏，鄒 凡，王 忠

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

熱帶海洋環(huán)境條件對(duì)印制電路板性能參數(shù)的影響分析

袁 敏，鄒 凡，王 忠

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

分析了熱帶海洋環(huán)境條件對(duì)印制電路板影響的主要敏感電氣參數(shù)，采用典型印制電路板工藝樣件開展了西沙自然大氣暴露試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)敏感參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

熱帶海洋環(huán)境；印制電路板；影響

引言

熱帶海洋環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧及霉菌生長活躍等典型環(huán)境條件特點(diǎn)，對(duì)印制電路板具有顯著的影響效應(yīng)。印制電路板是電子產(chǎn)品功能性能的載體，對(duì)惡劣環(huán)境條件的影響非常敏感。在惡劣的環(huán)境條件下，印制電路板性能指標(biāo)的劣化容易產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，某一電氣性能指標(biāo)劣化，極易引起其它性能指標(biāo)的一并變化，因而印制電路板防護(hù)工藝體系的崩潰。

印制電路板均會(huì)做好防護(hù)措施，常見的防護(hù)措施是在表面進(jìn)行敷形涂覆，俗稱“三防處理”，避免印制電路板基材、線路、器件等直接接觸敏感環(huán)境條件。進(jìn)行三防處理后，一般會(huì)進(jìn)行濕熱、霉菌、鹽霧試驗(yàn)，以驗(yàn)證防護(hù)性能。由于一般研制廠所缺乏自然暴露試驗(yàn)條件，只能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，所得結(jié)果與自然暴露試驗(yàn)的結(jié)果顯然存在一定的差異，況且實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)方案的合理性仍然值得商確。

本文通過對(duì)典型印制電路板涂覆工藝進(jìn)行西沙自然大氣暴露試驗(yàn)，并對(duì)典型電氣參數(shù)進(jìn)行分析，探討自然大氣暴露試驗(yàn)條件對(duì)印制電路板防護(hù)工藝典型性能參數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 方案

選取常見的三種印制電路板涂覆工藝，分別為1#丙烯酸樹脂（AR）、2#聚氨酯樹脂（UR）、3#有機(jī)硅樹脂（SR），開展西沙熱帶海洋環(huán)境暴露試驗(yàn)，定期撤回進(jìn)行腐蝕外觀和敏感電氣性能檢測，包括絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓性能和Q值特性。

1.2 參數(shù)影響及其意義

熱帶海洋條件下濕熱、霉菌、鹽霧環(huán)境容易對(duì)印制電路板表面的物理或化學(xué)、機(jī)械及電氣性能產(chǎn)生影響。濕熱會(huì)使印制電路板防護(hù)涂層附著力變小，外觀出現(xiàn)分層、起泡、白斑等現(xiàn)象，表面絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓性能降低，并使印制電路板的損耗參數(shù)發(fā)生變化；霉菌生長滋生的分泌物會(huì)使相互絕緣的印制電路間產(chǎn)生漏電或短路；鹽霧則會(huì)引起印制電路產(chǎn)生腐蝕，使印制電路的損耗特性發(fā)生變化。

1.2.1 外觀

常見標(biāo)準(zhǔn)中考察印制電路板外觀主要包括是否產(chǎn)生分層、起泡、白斑、皺褶、裂縫、剝離等現(xiàn)象。[1][2]IPCA-600G對(duì)印制板分層、起泡、白斑現(xiàn)象作了詳細(xì)的定義和描述。[3]

1）分層：是指出現(xiàn)在基材內(nèi)任兩層之間或一塊印制板內(nèi)基材與覆銅箔之間，或其它層內(nèi)的分離現(xiàn)象。

2）起泡：是一種局部膨脹形式的分層，表現(xiàn)為層壓基材的任意層間或者基材與導(dǎo)電箔或保護(hù)性涂層間的分離。

分層與起泡現(xiàn)象具有一定的相似性，外觀表現(xiàn)為印制電路板表面出現(xiàn)不平整泡狀，見圖1。

3）白斑：白斑本身表現(xiàn)為表面下不連續(xù)的白色方塊或“十字”紋，是表面下缺陷，見圖2。

印制電路板的外觀可通過肉眼或采用放大鏡進(jìn)行觀察，部分現(xiàn)象的內(nèi)部表現(xiàn)則需要在顯微切片中進(jìn)行。銅箔層的腐蝕情況，可以通過目檢，也可以借助鏡像顯微鏡進(jìn)行檢查。外觀檢查是涂層和銅箔腐蝕的最直接判定方法。

1.2.2 介質(zhì)耐電壓

介質(zhì)耐電壓是指相互絕緣的部件之間或絕緣的部件與地之間耐受由于開關(guān)、浪涌及其它類似現(xiàn)象所導(dǎo)致的過電位的能力，如果元件有缺陷，則在施加試驗(yàn)電壓后，必然產(chǎn)生擊穿放電或損壞。擊穿放電表現(xiàn)為飛?。ū砻娣烹姡?、火花放電（空氣放電）或擊穿（擊穿放電）現(xiàn)象。介質(zhì)耐電壓檢測過程中會(huì)產(chǎn)生漏電流，漏電流過大可能引起電參數(shù)或物理性能的改變。

圖1 分層、起泡現(xiàn)象示意圖

圖2 白斑基材下表現(xiàn)

熱帶海洋環(huán)境條件對(duì)印制電路板表面涂層的破壞，會(huì)使線路間的防護(hù)涂層變薄或者不再保持致密，降低耐壓性能。

1.2.3 絕緣電阻

絕緣電阻一般是指不同相的導(dǎo)電體之間，或?qū)щ婓w與外殼（地）之間的電阻值?？梢酝ㄟ^在絕緣體兩端施加恒定的直流電壓，測量其間流過的直流電流的大小和變化情況，判斷絕緣材料的優(yōu)劣。絕緣電阻檢測有以下作用：

1）了解絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣性能；

2）了解電子產(chǎn)品絕緣處理質(zhì)量；

3）了解絕緣受潮及污染情況；

4）檢驗(yàn)絕緣導(dǎo)電體是否能承受耐電壓試驗(yàn)；

5）檢驗(yàn)電氣設(shè)備能否安全通電運(yùn)行。

理想印制電路板相鄰印制板線路之間的電阻應(yīng)為無窮大，但由于印制板線路之間存在基板、阻焊膜等涂覆物和其它如灰塵、空氣中的水汽等物質(zhì)，使得印制板線路不能完全絕緣。在潮濕的復(fù)雜環(huán)境中，當(dāng)加上偏壓的印制線金屬（如銅、銀、錫等）在電場作用下產(chǎn)生電離，通過絕緣層向另一極遷移，當(dāng)電離的金屬到達(dá)另一極，金屬線之間就會(huì)造成絕緣性能降低，出現(xiàn)短路，這種過程即為印制電路板行業(yè)極為重視的內(nèi)部導(dǎo)電陽極絲遷移現(xiàn)象，即CAF遷移現(xiàn)象。

1.2.4 Q值（諧振）

Q值是諧振系統(tǒng)的基本參量，同電感量、電容量、電阻值等基本阻抗參量一樣，也是一種阻抗參量；電感、電容、電阻是基本阻抗參量，Q值是復(fù)合阻抗參量，通常由電抗和電阻組成。Q值是用來描述諧振電路的諧振能力，揭示了諧振電路的通頻帶和選擇性之間相互矛盾的關(guān)系。

印制電路板試驗(yàn)相鄰線路組成的電路系統(tǒng)可看作是感性的電感線圈。非理想狀態(tài)的電感線圈的電路性質(zhì)除表現(xiàn)出電感L的特性以外，還具有一定損耗的電阻r和分布電容C，若忽略分布電容的作用，則可將感性器件等效為線電感和電阻的串聯(lián)。因此，電阻r值越大，損耗功率就越大，Q值即是電感線圈的損耗性能，其準(zhǔn)確定義為線圈磁場中無功功率與損耗于電阻中的功率的比值。Q值越高，表示電感線圈的損耗越小。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

低頻下的Q值可直接采用普通Q表測量，高頻下的Q值需采用高頻Q值測試儀器測量，兩者測量原理均為“諧振法”。[4]

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

外觀、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓、Q值周期檢測結(jié)果見表1至表4。

2 參數(shù)影響分析

通過對(duì)西沙大氣暴露試驗(yàn)外觀、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓及Q值變化情況進(jìn)行對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

表1 外觀檢查

表2 絕緣電阻

表3 介質(zhì)耐電壓測試

表4 Q值

1）從外觀檢查來看，樣品試驗(yàn)3個(gè)月開始出現(xiàn)輕微腐蝕，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長，到試驗(yàn)12個(gè)月，腐蝕現(xiàn)象已經(jīng)非常明顯。

2）從絕緣電阻變化情況來看，試驗(yàn)3個(gè)月、6個(gè)月，試驗(yàn)樣品絕緣電阻出現(xiàn)了下降，試驗(yàn)12個(gè)月后，絕緣電阻下降幅度顯著，表明試驗(yàn)樣品絕緣性能已經(jīng)變得非常差，大多低于百兆歐，已經(jīng)不能滿足一般電路性能的要求。

3）從介質(zhì)耐電壓性能來看，試驗(yàn)樣品耐電壓性能也均出現(xiàn)了不斷的降低，試驗(yàn)3個(gè)月就開始出現(xiàn)火花，6個(gè)月時(shí)，樣品耐電壓性能開始出現(xiàn)被擊穿的現(xiàn)象，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行12個(gè)月后，均出現(xiàn)了持續(xù)性火花和擊穿等現(xiàn)象，耐電壓性能變得非常差。

4）從Q值變化情況來看，試驗(yàn)12個(gè)月后，印制電路板試驗(yàn)樣品Q值特性發(fā)生了明顯的變化，低頻時(shí)Q值出現(xiàn)了明顯的降低，高頻時(shí)Q值也出現(xiàn)了不同程度的降低。

5）總體來看，這些指標(biāo)的變化是緊密聯(lián)系的，一項(xiàng)指標(biāo)的劣化往往伴隨著其它各項(xiàng)指標(biāo)的變化，這種變化體現(xiàn)在：當(dāng)樣品涂層外觀出現(xiàn)破壞時(shí)，印制電路板銅箔線路和鍍覆孔就會(huì)受到腐蝕，一旦被腐蝕，線路的電氣性能就會(huì)變差，包括絕緣性能和電路質(zhì)量參數(shù)。

3 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)與自然大氣暴露試驗(yàn)環(huán)境不同，因此自然環(huán)境試驗(yàn)條件下所表現(xiàn)出來的參數(shù)變化與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)有一定的區(qū)別，研制廠所在進(jìn)行印制電路板涂覆工藝篩選時(shí)，最好將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)合在一起進(jìn)行研究，以取得更真實(shí)可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

[1] MIL-P-55110C, 印制電路板[S].

[2] SJ/T 20671-2008, 印制板組裝件涂覆用絕緣化合物[S].

[3] IPC-A-600G,印制板的驗(yàn)收條件[S].

[4] IPC-TM-650,試驗(yàn)方法手冊(cè)[S].

Analysis on Tropical Ocean Environment Effects to Performance Parameters of Printed Circuit Board

YUAN Min, ZOU fan, WANG Zhong
（The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology Guangzhou 510610）

Elect rical performance parameters of printed circuit board (PCB) that supposed to be sensitive to the tropical ocean environment effect was analyzed. Exposure test was conducted to three kinds of typical PCB coating specimens, according to the test result, evolvement about these parameters were analyzed.

tropical ocean environment; printed circuit board; effect

TB324

A

1004-7204（2014）03-0021-03

袁敏（1986-），男，工業(yè)和信息化部電子第五研究所工程師，主要從事可靠性與環(huán)境試驗(yàn)及相關(guān)技術(shù)研究工作。