某機載印制電路板在模擬海洋大氣環境中腐蝕行為

李 茜，陳星昊，胡 濤，孫茂鈞，王 玲，3

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.海南萬寧大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，海南萬寧 571522；3.重慶市環境效應與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

在熱帶海洋環境下，由于飛機服役期間易受高溫、高濕、高鹽霧和強太陽輻射等典型海洋環境因素的長期影響，因此，機載電子設備及系統在海洋大氣環境中的腐蝕與防護問題便成為了各界學者研究的焦點[1-2]。

印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）作為機載電子裝備的關鍵部件之一，通常被安裝于機艙內部封閉或半封閉的環境中，當外界環境中的鹽霧和濕氣等一旦通過艙室某處的間隙（如銜接部位）進入內部環境中，將不易擴散出來，鹽霧和濕氣等環境因素將會長期作用于PCB，從而導致電路板腐蝕。

PCB是電子設備的主要功能承載單元，其性能表現直接決定電子設備及其組成系統的環境適應性水平。因此，電路板上的1 個微小的腐蝕都可能使整個設備癱瘓[3-6]。

飛機的使用壽命約30 年，若在自然環境下評估PCB的環境適應性則需要較長的周期，這無法滿足工程研制需求[7-9]。因此，本文采用實驗室加速試驗的方法，開展了典型機載電子設備PCB的鹽霧和交變濕熱的組合循環試驗，通過宏微觀觀察和電性能測試結果，研究了鹽霧和交變濕熱老化條件下PCB的腐蝕行為，以期通過短時的實驗室加速試驗來評估服役若干年后飛機中PCB的性能。

1 試驗

1.1 試驗樣品

試驗用PCB 為平板試樣，表面用三防清漆處理，尺寸規格為100 mm×50 mm×1.5 mm，如圖1所示。

圖1 PCB試樣Fig.1 PCB sample

1.2 試驗方案設計

針對機載PCB 開展鹽霧和交變濕熱的組合循環試驗，其中，加速試驗應力水平的確定結合了航空機載設備在裝備中的局部使用環境特征、熱帶海洋環境的特征及其主要環境因素影響作用等，同時參考了GJB 1217A—2009 和GJB 150A[10-12]以及相關研究[13-16]中的鹽霧和交變濕熱試驗部分，設計鹽霧和交變濕熱的組合試驗譜如圖2所示。其中，1個循環試驗周期由鹽霧試驗24 h（22 h 噴霧+2 h 干燥）和交變濕熱試驗96 h組成，共進行14個循環試驗，即1 680 h。

圖2 鹽霧/交變濕熱組合試驗譜Fig.2 Salt spray/alternating damp heat combined test spectrum

1.3 性能檢測

每2個循環周期后，對試驗試樣做1次性能檢測，分別檢測PCB 的宏微觀腐蝕形貌和電性能等變化情況。采用Stemi2000-C 型蔡司體式顯微鏡和蔡司SEM，以及EDS 對試樣腐蝕情況進行觀察分析，并分別使用AT515型精密電阻和TH9320型交/直流絕緣耐壓測試儀開展樣品的接觸電阻和絕緣耐壓電性能檢測，其中，能承受500 V 交流電壓60 s 即介質耐電壓為“合格”。

2 結果與討論

2.1 外觀變化

為了研究鹽霧和交變濕熱老化后PCB 的表面腐蝕情況，試驗后，對PCB的宏觀形貌進行觀察分析，其典型外觀腐蝕形貌如圖3所示。

圖3 試驗1 200 h后PCB外觀腐蝕形貌Fig.3 Appearance corrosion morphology of PCB after 1 200 h test

通過分析可知：1 680 h 鹽霧和交變濕熱試驗后，PCB的基材面漆在整個試驗周期內光澤度略有下降，表面發暗，并且通過后續的微觀分析發現其表面出現了明顯的裂紋；整個試驗過程中，PCB 主要受鹽霧中Cl-和交變濕熱的交替變化影響，腐蝕集中出現在其焊點、焊盤、印制導線和引線頭等金屬部位。

為量化表征PCB表面腐蝕變化程度，分區對PCB基材面漆、焊盤、焊點、引線頭和印制導線5 個部位進行細致觀察分析，各部位見圖3 紅色框線區域。對試驗后PCB 的外觀腐蝕變化采用半定量法，即使用0～4的數值來表征PCB的表面腐蝕程度，具體外觀檢測結果如表1所示。試驗初期，PCB的腐蝕變化不明顯，但隨著試驗的進行，鹽霧和交變濕熱對PCB腐蝕影響逐漸加重，其中，對引線頭的腐蝕最為明顯且速度最快，這與裸露金屬部位對鹽霧和濕熱的敏感性更強有關。

表1 PCB外觀檢測結果Tab.1 Appearance inspection result of PCB

2.2 腐蝕形貌分析

采用蔡司體式顯微鏡觀察鹽霧和交變濕熱循環試驗后PCB試樣表面形貌，引線頭和焊點的腐蝕形貌如圖4所示。暴露在試驗中的引線頭最終被腐蝕氧化變成了全黑色。同樣受鹽霧、交變溫度以及濕度的共同作用，PCB的焊點在試驗初期僅為鹽顆粒附著在焊點周圍，后期亮銀白色部分逐漸被氧化腐蝕生銹，失去金屬光澤且顏色變黑變暗。

圖4 PCB引線頭和焊點的腐蝕形貌Fig.4 Corrosion morphology of PCB lead head and solder joint

隨著鹽霧和交變濕熱試驗時間的延長，觀察發現PCB表面顏色加深，焊盤的腐蝕區域不斷增多，如圖5所示。原始PCB 上的焊盤光滑、均勻，線路中的導線外表平滑且完好無損，然而在試驗過程中，腐蝕產物逐漸堆積在焊盤孔洞及其周邊。試驗1 440 h后，受鹽霧的影響，焊盤和與其銜接導線的腐蝕現象明顯加重，見圖5 c）。焊盤上的焊錫金屬基本被完全腐蝕，腐蝕產物附著在焊盤和導線上，使得原本光滑平整的焊盤和導線表面變得粗糙，導線輪廓凸顯且表面堆積了1層粗糙且厚重的腐蝕產物。在鹽霧和交變濕熱試驗1 680 h后，焊盤區域部分腐蝕產物出現脫落并形成了小的腐蝕坑，見圖5 d）。

圖5 不同試驗時間PCB焊盤的腐蝕形貌Fig.5 Corrosion morphology of PCB pad at different test time

圖6 給出了PCB 焊盤腐蝕擴展范圍。試驗過程中，PCB焊盤區域由較小的局部腐蝕逐漸擴大。試驗進行1 200 h后，焊盤的最大腐蝕擴展范圍約1 mm；當鹽霧和交變濕熱試驗進行到1 680 h后，焊盤的最大腐蝕擴展范圍約是1 200 h 時的2 倍，最大的達到2.29 mm。

圖6 PCB焊盤腐蝕擴展范圍Fig.6 Corrosion expansion rang of PCB pad

試驗初期，PCB試樣的基材表面附著鹽顆粒和少量的腐蝕產物。試驗1 680 h 后，微觀觀察發現，其基材表面沿著印制導線腐蝕破壞嚴重的區域局部開始出現白斑、皺褶以及小面積微裂紋，如圖7 所示，原來淺埋在基材中的印制導線在循環試驗過程中先后經歷了起泡、開裂和脫落過程。

圖7 不同試驗時間PCB印制導線腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphology of PCB printed wires at different test time

印制導線在試驗1 200 h后出現了明顯的起泡，且先從印制導線邊緣的棱角處擴展開，起泡的尺寸增加，影響范圍增大，見圖7 b）；試驗1 440 h 后，原來的起泡部位，演變發展為表面覆蓋層的開裂、脫落。隨著印制導線表面覆蓋層的開裂和脫落面積逐漸增大，印制導線內層基體銅線裸露在試驗氣氛中，并逐漸發生腐蝕氧化；到試驗1 680 h 結束時，由圖7 d）可以清楚地看到，印制導線表面的覆蓋層已大面積開裂和剝落，其因暴露在試驗環境中顏色發生了明顯的變化。

分析認為，相比其他部位，PCB 線路邊緣涂層較薄，由于涂層微觀空隙大且應力集中[17-18]，試驗箱中濕氣和Cl-等腐蝕介質很容易從界面滲入，導致涂層吸附力降低，從而使涂層出現溶脹、鼓泡現象，最終開裂和脫落等。

通過上述分析不難發現，PCB在模擬海洋大氣環境中的腐蝕損傷特征主要是從其焊盤、焊點、引線頭、印制導線和基材面漆部位誘發并擴展，因此，結構微區域越多的PCB，發生腐蝕的概率越高。為提升PCB在海洋大氣環境中的使用壽命，實際應用中，應當加強其關鍵部位的保護和結構的優化改進，可優化焊點工藝，采用抗腐蝕性強的焊盤材料，對基材表面進行更耐腐蝕的噴漆處理等。

另外，根據對PCB不同試驗時間后的腐蝕形貌分析可知，PCB的腐蝕破壞時間存在1個臨界值，對于本模擬試驗，其形貌發生腐蝕破壞的臨界時間均為試驗1 200 h。在PCB的實際應用中，為減少因其被腐蝕破壞而引發的機載設備故障，實際使用時間不應超過發生腐蝕破壞的臨界點。

2.3 微觀分析

為了加強對PCB的腐蝕形貌分析，本文有針對性地開展了對其關鍵部位中基材面漆、焊盤以及印制導線的微觀形貌及能譜等分析，見圖8～11。

觀察可知，PCB原始試樣表面涂層平整且無明顯缺陷，見圖8 a），但試驗后，樣品表面涂層卻出現了明顯的裂紋，且在試驗過程中，裂紋在試樣表面逐漸延伸擴展，裂紋面積進一步擴大，裂紋深度明顯加深變寬，最終形成了圖8 b）所示裂紋相互連接且深淺不一的網狀裂紋。分析認為，受試驗中溫度、濕度和鹽霧等環境因素的交替作用影響，涂層表面發生了腐蝕老化，因鹽霧中的Cl-本身具有很強的穿透性，在試驗過程中使PCB面漆受到破壞，從而進一步腐蝕基體。圖8 c）能譜分析也進一步證明，試驗后的PCB 樣品表面確實附著大量的Na+和Cl-，主要是由鹽霧試驗這一過程中的NaCl溶液噴霧沉積所致，從而加速了樣品表面的腐蝕破壞。圖8 d）給出了PCB 試驗前后樣品表面紅外光譜圖，觀察發現，盡管試樣的基材面漆在試驗過程中受到明顯破壞，但其試驗前后主要特征吸收峰，如2 923.65 cm-1、1 727.87 cm-1、1 457.15 cm-1、1 065.12 cm-1和605.69 cm-1等的強度、位置、形狀變化均不明顯，即其試驗前后面漆的腐蝕機理沒有發生改變。

圖8 面漆的微觀分析Fig.8 Micro analysis of finish

同樣，通過觀察試驗后印制導線的微觀形貌及能譜分析可知，印制導線表面的鍍層出現了明顯的剝落，內置銅導線基本暴露在基材表面，見圖9 a）。印制導線能譜分析顯示其主要含有Cu、O、Na、Cl、Ca 和Si等元素，表面鍍層和基材中的銅導線在試驗過程中均發生了明顯的腐蝕，其中，銅導線在這一過程中出現了明顯的氧化腐蝕產物，呈磚紅色，見圖7 d），研究顯示[19]，銅的氧化腐蝕一般有3種：一是在常溫下氧化會生成銅綠，堿式碳酸銅（Cu2（OH）2CO3）為綠色；二是加熱氧化會生成氧化銅（CuO），為黑色；三是氧化成氧化亞銅（Cu2O），為磚紅色。因此，本試驗中的腐蝕產物為第3種情況。

圖9 試驗后印制導線微觀形貌及能譜Fig.9 Micro morphology and energy spectrum of printed conductor after testing

進一步對比分析PCB 焊盤試驗前后的微觀形貌和能譜，如圖10、11 所示。原始的焊盤表面受焊錫層的保護，該焊錫層中主要含有Sn和Pb以及少量的Mo元素，見圖10 b），在試驗過程中，焊盤表面的焊錫因被腐蝕破壞而變得凹凸不平，且有大量的腐蝕產物堆積在焊盤周圍，見圖11 a）。分析認為該腐蝕產物一方面是焊盤表面的Sn 和Pb 的氧化腐蝕產物；另一方面是濕氣和鹽霧中的Cl-優先從受到破壞的焊錫保護層表面滲透到焊盤的基材中，使得基材銅發生了氧化進而形成了腐蝕產物。文獻[20-22]分析可知，該綠色腐蝕產物的主要成分可能為Cu4（OH）6SO4和Cu2Cl（OH）3等，隨著試驗時間的延長，焊盤被腐蝕產物完全覆蓋，失去了原有的金屬光澤。

圖10 原始焊盤微觀形貌及能譜Fig.10 Micro morphology and spectrum of original PCB pad

圖11 試驗后焊盤微觀形貌及能譜Fig.11 Micro morphology and energy spectrum of PCB pad after testing

2.4 電氣性能變化

2.4.1 導通電阻變化

以2 個循環為1 個周期對PCB 的導通電阻、絕緣電阻和介質耐電壓進行檢測，其中，絕緣電阻和介質耐電壓分別在PCB 同層之間、異層之間測試，本試驗所用PCB 共3 層。不同鹽霧和交變濕熱試驗后，PCB的導通電阻變化如圖12所示。

圖12 不同試驗時間后PCB的導通電阻變化Fig.12 Change of on resistance of PCB after difference test time

試驗初期，該種PCB 的導通電阻阻值無明顯變化，約為44 mΩ。當試驗進行到1 200 h，導通電阻出現增大趨勢，增大約20%。到試驗結束，PCB 導通電阻上升近50%，但導通性依然良好。另外，根據飛機實際工況，模擬其工作狀態同步設計并開展了該PCB在濕熱試驗中的帶電（24 V 直流電）對比試驗。通過測試發現，帶電的PCB與不帶電的PCB導通電阻在試驗過程中的變化較為相似，暫未出現明顯的阻值增大情況，其變化值均在100 mΩ 以內。但隨著試驗的進行，根據現階段導通電阻變化趨勢，不難預見PCB 在試驗后的導通電阻將逐漸增大直至最終失效。分析認為，因PCB上印制導線在試驗過程中出現了明顯的溶脹和鼓泡，見圖7 b），這使得導通電阻初步增加，而隨著時間的推進，受鹽霧中Cl-介質和濕氣以及溫度交替變化的影響，印制導線表面覆蓋層的腐蝕明顯擴展，最終，覆蓋層剝落，印制導線裸露腐蝕使得PCB的導通電阻增大。試驗結果表明，帶電試驗對PCB的導通電阻的影響整體較小（這可能與飛機本身的通斷電狀態相關性較低有關），導通電阻受外界環境影響較大。

2.4.2 絕緣耐壓變化

PCB經過不同試驗時間后的同層之間、異層之間絕緣電阻變化見圖9。從圖中可知，該種PCB 在試驗后同層之間絕緣電阻變化與異層之間絕緣電阻變化規律相似，PCB的絕緣電阻變化主要分為2個階段：第1 階段為試驗前1 000 h，PCB 的絕緣電阻相對穩定不變，阻值均大于10 GΩ；第2 階段為試驗1 000 h 以后，隨著試驗時間的持續增加，PCB 的絕緣電阻明顯降低，且降低幅度明顯增大，受鹽霧和溫濕度的交替影響，絕緣電阻的阻值最終降低在1～4 GΩ 之間。盡管絕緣電阻在鹽霧和交變濕熱循環試驗1 680 h 后出現了明顯的降低趨勢，但PCB 同層之間、異層之間依然能承受60 s 的500 V 交流電壓，介質耐電壓檢測均為“合格”，僅在1 200 h 后開始出現極小的漏電流現象。

圖13 不同試驗時間后PCB絕緣電阻變化Fig.13 Change of PCB insulation resistance after difference test time

已有研究[23-24]表明，鹽霧環境中含有的NaCl 和交變濕熱環境中的水以及氧氣等很容易腐蝕電路板，其腐蝕形式主要有2種：一是破壞PCB表面的覆蓋層；二是腐蝕PCB 本身的材料。在腐蝕的第1 階段，由于PCB受表面覆蓋層的保護，其絕緣電阻和介質耐電壓均未發生明顯變化。隨后，表面覆蓋層受環境中的Cl-等介質影響，逐漸發生腐蝕破壞且破壞程度逐漸增大，同時，大量的腐蝕氧化產物產生，最終腐蝕PCB本身材料，使得其導電性能增強，絕緣性能和介質耐電壓降低。

3 結論

1）PCB 在鹽霧和交變濕熱循環試驗中的腐蝕特征出現在其焊點、焊盤、印制導線和引線頭等關鍵金屬部位，其基材面漆的腐蝕破壞以裂紋為主。為提升PCB在海洋大氣環境中的使用壽命，應當在其實際應用中加強關鍵部位的保護和結構的優化改進。

2）PCB 印制導線和焊盤均在鹽霧和交變濕熱循環試驗1 200 h后開始出現明顯的腐蝕，整個試驗過程中：印制導線的腐蝕演變過程主要表現為溶脹、鼓泡、開裂、脫落和銅導線的腐蝕氧化；焊盤的主要表現則是表面焊錫層和焊盤基材銅的氧化腐蝕，且腐蝕擴展范圍可達2 mm以上。

3）PCB的導通電阻受帶電試驗影響較小，受環境因素的影響相對較大。在鹽霧和交變濕熱循環試驗1 000 h 后，其導通電阻逐漸增大，最終增至約初始值的50%。

4）PCB在鹽霧和交變濕熱循環試驗中，其同層之間、異層之間絕緣電阻變化規律相似，阻值變化主要分為2個階段：第1階段為試驗1 000 h前，其絕緣電阻未發生明顯變化，均大于10 GΩ；第2 階段為試驗1 000 h 后，絕緣電阻表現出明顯的降低趨勢，最終降低在1～4 GΩ 之間。整個鹽霧和交變濕熱循環試驗中，PCB的介質耐電壓測試均為“合格”。