吸濕性塵粒人工模擬試驗與鹽霧試驗的對比研究

詹 煬，劉勇志，鐘 浩，晉曉峰

（1. 深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055； 2. 國家銅鉛鋅及制品質量監督檢驗中心，銅陵 244000）

吸濕性塵粒人工模擬試驗與鹽霧試驗的對比研究

詹 煬1，劉勇志1，鐘 浩1，晉曉峰2

（1. 深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055； 2. 國家銅鉛鋅及制品質量監督檢驗中心，銅陵 244000）

介紹了吸濕性塵粒人工模擬試驗方法與鹽霧試驗方法。通過分析、對比兩種試驗方法的試驗設備、腐蝕效果控制、失效機理和符合性評價之間的區別，為試驗人員使用吸濕性塵粒人工模擬試驗方法和鹽霧試驗給出建議。

吸濕性塵粒；鹽霧試驗；耐腐蝕；腐蝕效果控制；失效機理；符合性評價；鋼參比

引言

目前，污染腐蝕類試驗在數字電子產品可靠性測試中扮演著重要的角色。污染腐蝕試驗能夠被用于評價產品的耐污染腐蝕性能，為產品器件或材料的選型、質量控制及壽命分析提供幫助。傳統的鹽霧試驗主要包括中性鹽霧試驗、酸性鹽霧試驗、銅加速乙酸鹽霧試驗，通過環境試驗的模擬，使試驗樣品的材料與環境發生相互作用，從而引起化學或物理性的損傷。通過評價樣品的腐蝕物及腐蝕程度對樣品的耐腐蝕能力做出評價。吸濕性塵粒人工模擬試驗方法有別于傳統的鹽霧試驗，通過特殊的試驗方法，能夠形成有別于傳統的化學污染效果，吸濕性塵粒人工模擬試驗使用吸濕性鹽對印制電路板造成污染，能夠有效模擬由大氣環境中鹽類引起的產品電氣性能下降及失效。通過降低表面絕緣電阻對產品電氣性能造成的影響作出評價。

1 試驗方法概述

1.1 吸濕性塵粒人工模擬試驗

吸濕性塵粒人工模擬方法的主要目的是將吸濕性鹽噴涂于試驗樣品的印制電路板上，在一定的濕度下，吸濕性塵粒能夠吸收濕氣，潮解導致導電性增加，以此引起電應力過沖。

試驗溶液可選用用九水合硫化鈉（Na2S·9H2O）、水合碳酸鉀（K2CO3·3/2 H2O）或二水氯化鈣（CaCl2· H2O）。

吸濕性塵粒人工模擬方法可分為以下步驟:

1）將試驗樣品放入溫濕度試驗箱中，先在40 %相對濕度下保持12 h，接著在4 h內將濕度由40 %RH升高到90 %RH，并在90 %相對濕度下保持24 h。

2）對控制試片進行噴霧處理，IPC控制試片的噴霧可只進行單面噴霧。對控制試片進行噴霧后，需對控制試片進行干燥，干燥條件為溫度為（24±3） ℃和濕度小于40 %RH環境保持24 h，或者在真空干燥箱中以室溫條件保持4 h。

3）測量干燥后的IPC控制試片的表面絕緣電阻，根據IPC控制試片的表面絕緣電阻確定相對濕度閥值（RHt）。在濕度閥值（RHt）下，試片的表面絕緣電阻應在1×105Ω至5×106Ω之間。

4）如果IPC控制試片表面絕緣電阻不在1×105Ω至5×106Ω之間，則可通過調整相對濕度與溶液濃度，使其滿足要求。

5）使用和IPC控制試片相同的噴霧參數，對試驗印刷電路組件進行噴涂。樣品需采用雙面噴涂。

6）試驗樣品噴涂完成后，對其進行干燥，將印制電路組件安裝到整機系統中，通電工作。

7）將整機系統放入溫濕試驗箱中，在40 %相對濕度下保持2 h，接著將相對濕度由40 %RH升高至濕度閥值，然后在濕度閥值下保持2 h。此過程共循環2次。

1.2 鹽霧試驗

進行鹽霧試驗的目的是為了確定產品防護層和表面涂層的防護性能，也可用于確定鹽沉積對樣品物理特性和電氣特性的影響。

鹽霧試驗方法可大致分為中性鹽霧試驗（NSS）、乙酸鹽霧試驗（AASS）、以及銅加速乙酸鹽霧試驗（CASS）。

以GB/T 10125-2012 人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗為例，在鹽霧箱中，樣品被試表面與垂直方向成15°~20°，并盡可能成20°。根據中性鹽霧試驗，酸性鹽霧試驗，以及銅加速乙酸鹽霧試驗的不同要求，按表1中的試驗條件進行噴霧。

試驗前，應在鹽霧箱內空置或安裝模擬試樣，并確認鹽霧沉降率和其他試驗條件在規定的范圍內才能將試樣置于鹽霧箱內并開始試驗。每個收集裝置的氯化鈉濃度pH值應在表1給出的范圍內，鹽霧沉降的速度應在連續噴霧至少24 h后測量。用過的噴霧容易不應重復使用。

試驗結束后，試樣應在清洗前在室內自然干燥0.5~1 h，然后用溫度不高于40 ℃的清潔流動水輕輕清洗以除去試樣表面的殘余鹽溶液，接著用氣壓不超過200 kPa的空氣立即吹干。

2 吸濕性塵粒人工模擬試驗與鹽霧試驗的對比

2.1 噴涂設備對比

吸濕性塵粒人工模擬方法的噴涂設備采用超聲噴霧系統（見圖1），噴霧系統的設計和組成能夠產生細小、潤濕、濃密的霧，提供穩定、均一的試驗噴霧條件。

超聲波噴霧系統主要由儲水罐、控制與顯示模塊、超聲波噴頭模塊所組成。超聲噴頭可產生超過20 kHz的振動頻率，通過產生不穩定的毛細波來產生霧化噴霧。液體霧化量可由液體流量來控制，理論上，通過不同的流量超聲波噴頭可以實現無限的可調性。但實際中，鑒于噴頭設計的局限，最大流量與最小流量比通常至少為5:1。相對于其他類型的噴霧裝置，另外一個超聲波噴頭的主要屬性是噴霧的低流速性能。一般來講，普通標準噴頭的流速為35~70 ft/s，而超聲波噴頭的流速可低至0.8~1.2 ft/s。

鹽霧試驗通常采用常規鹽霧試驗箱進行試驗，噴霧裝置（見圖2）由一個壓縮空氣供給器、一個鹽水槽和一個或多個的噴霧器組成?？諝庠谶M入噴霧器前進入裝有蒸餾水或去離子水的飽和塔濕化，然后通過噴霧器，將鹽水與壓縮空氣混合，噴涂于樣品之上。

2.2 腐蝕效果控制方法的對比

表1 鹽霧試驗條件

試驗前與試驗中，需要對腐蝕試驗的效果進行控制。為了檢驗試驗設備或不同實驗室里的同類設備實驗效果的復現性，腐蝕效果控制方法的設計是至關重要的。

吸濕性塵粒人工模擬試驗的腐蝕性評價方法是通過測量控制試片的表面絕緣電阻，以此來確保實驗效果的復現性。

圖1 超聲噴霧系統

圖2 鹽霧噴霧系統

吸濕性塵粒人工模擬試驗方法的控制試片采用IPC（The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits）的#IPC-B-25（模式B或E，12.5mil line/space），IPC控制試片（見圖3）不應有阻焊層。IPC控制試片包含兩個相互交叉但相互絕緣的路徑。IPC控制試片的絕緣電阻測量應使用5 V的偏置電壓。在噴涂過程中，為了確保噴涂的均勻性，IPC控制試片的數量和擺放位置應與試驗樣品的大小相匹配，應能夠覆蓋試驗樣品的面積。在濕度閥值（RHt）下，試片的表面絕緣電阻應在1×105Ω至5×106Ω之間。

鹽霧試驗通常采用鋼參比試樣來評價試驗的腐蝕性。以GB/T 10125-2012 人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗為例，參比試驗使用4塊或6塊符合ISO 3574的CR4級冷扎碳鋼板（見圖4），鋼板厚度為1±0.2 mm，試樣尺寸為150 mm×70 mm。表面應無缺陷，無孔隙、劃痕以及氧化色。表面粗糙度Ra=0.8±0.3μm。參比試驗應放置在箱內四角，未保護一面朝上并與垂直方向成20°±5°的角度。

試驗結束后，應立即取出參比試樣，按照IS0 8407規定的方法去除腐蝕產物，使用20 %質量分數的檸檬酸二銨水溶液浸泡10 min，浸泡后，在室溫下用水清洗試樣，再用乙醇清洗，干燥后稱重。試樣稱重應精確到±1 mg，通過計算參比試樣的暴露面積，得出單位面積質量損失。鹽霧試驗參比試樣質量損失的充許范圍見表2。

2.3 失效機理的對比

圖3 IPC控制試片

圖4 GB/T 10125-2012鹽霧試驗參比試片

吸濕性塵粒人工模擬試驗的失效機理（見圖5）主要是利用在一定濕度下，吸濕性塵粒能夠吸收空氣中的水分，通過潮解，使得樣品電路板導電性增加，以此形成失效。吸濕性塵粒的沉積，能夠有效模擬產品在使用環境下由于電應力過沖引起的風險，塵粒的沉積會在電路板表面形成沉積膜，沿著沉積膜的路徑，產品電路板會形成泄漏電流或電壓擊穿。吸濕性塵粒人工模擬試驗也能夠暴露阻焊劑等相關缺陷。

吸濕性塵粒人工模擬試驗主要針對于驗證產品印制電路板的可靠性，尤其適用于驗證暴露于吸濕性鹽環境中產品電路板的線路設計、制板工藝，以及元器件選型。由于現在電路板布線越來越密，焊點與焊點之間距離也越來越近，所以這項試驗不僅有助于驗證PCB板面上是否留有任何影響產品電器性能的殘留化學品，也可作為錫膏助焊劑的可用性評估。

鹽霧試驗主要針對金屬材料，鹽霧對金屬材料表面的腐蝕機理是利用氯化鈉溶液中的氯離子，氯離子能夠穿透金屬表面的氧化層和防護層與內部金屬發生電化學反應。同時，氯離子含有一定的水合能，易被吸附在金屬表面的孔隙、裂縫排擠并取代氧化層中的氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態表面變成活潑表面（見圖6）。

鹽霧試驗主要針對驗證產品的基材、涂層或鍍層工藝。

2.4 符合性評價的對比

吸濕性塵粒人工模擬試驗的符合性評價則一般可以考慮以下幾點：

1）產品的電氣性能（如部件的電壓、電流、導電性能等）；

2）產品安全性能（如耐壓能力、絕緣電阻、泄漏電流等）；

3）產品工作穩定性；

4）產品性能指標；

5）電路板腐蝕。

在進行吸濕性塵粒人工模擬試驗的符合性評價之前，需要注意鑒別產品由于高濕度環境引起的失效，所以在進行吸濕性塵粒人工模擬試驗之前，通常會進行高濕試驗，排除產品在高濕環境下的影響。從而更好地明確由于吸濕性鹽對產品造成的影響。

表2 鹽霧試驗參比試樣質量損失的允許范圍

圖5 吸濕性塵粒人工模擬試驗所形成失效

圖6 鹽霧試驗形成的腐蝕

鹽霧試驗的符合性評價一般可以由以下幾點進行考慮：

1）試驗后的外觀；

2）除去表面腐蝕產物后的外觀；

3）腐蝕缺陷的數量及分布（如點蝕、裂紋、氣泡等）；

4）腐蝕出現的時間；

5）質量變化；

6）顯微形貌變化；

7）力學性能變化。

3 結束語

本文從試驗方法、噴涂設配、腐蝕效果控制方法、失效機理、以及符合性評價五個方面對吸濕性塵粒人工模擬試驗與鹽霧試驗做出分析與對比。從中可以看出，吸濕性塵粒人工模擬試驗與鹽霧試驗具有不同的試驗目的，吸濕性塵粒人工模擬試驗強調驗證產品印制電路板的可靠性，而鹽霧試驗則強調驗證產品的基材、涂層或鍍層工藝。吸濕性塵粒人工模擬試驗與鹽霧試驗具有不同的試驗原理，吸濕性塵粒人工模擬試驗利用吸濕性塵粒污染印制電路板，在一定濕度的作用下，降低印制電路板的表面絕緣電阻，形成產品的失效。而鹽霧試驗則主要是是利用鹽溶液與金屬材質發生化學反應形成腐蝕。綜上所述，吸濕性塵粒人工模擬試驗方法與鹽霧試驗可以被用于驗證產品可靠性的不同方面。

[1] WEKIPEDIA, Salt mist test introduction[EB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Salt_spray_test.

[2] ASTM B117:2016,Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus.

[3] GB/T 10125-2012,人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗[S].

[4] MIL-STD-810G Department of Defense Test Method Standard[S].

[5] SONO TEK Corporation, Wide Area Coating System[Z].

[6] MICROSPRAY, Benefits of ultrasonic nozzles, [EB/OL]. https:// microspray.com/.

詹煬（1985年1月），男，漢，籍貫：廣東海豐，工程師，碩士，從事環境與可靠性試驗技術研究與應用。

Comparative Study on Hygroscopic Dust Artifcial Simulation Test and Salt Mist Test

ZHAN Yang1, LIU Yong-zhi1, ZHONG hao1, JIN Xiao-feng2
(1. Shenzhen Academy of Metrology and Quality Inspection, Shenzhen 518055; 2. China National Quality Supervision and Testing Center for Cu-Pb-Zn and Products, Tongling 244000)

This paper introduces the hygroscopic dust artificial simulation test and salt mist test. Through analyzing and comparing these two test methods’test equipments, corrosion control methods, failure mechanism, and compliance assessment, the suggestion of application of hygroscopic dust artificial simulation test and salt mist test is introduced to testers.

hygroscopic dust; salt mist test; corrosive resistance; corrosive control; failure mechanism; compliance assessment; steel reference specimen

TB37

B

1004-7204（2016）06-0005-05