緩蝕劑對熱帶海洋大氣環境下印制電路板的防護性能

劉 琦，郁大照，喬松然，王 琳，王希彬，許振曉

（1.海軍航空大學，山東煙臺 264001；2. 92279部隊，山東煙臺 264003；3.中國商飛上海設計研究院，陜西西安 710089）

在濕熱、鹽霧等氣候環境應力的作用下，機載電子設備具有更加強烈的腐蝕傾向、速度和程度[1-2]。印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）作為承載電子元器件并實現電氣互聯功能的重要載體，一旦發生腐蝕，可能會引發短路、斷路以及串電等諸多問題，甚至可誘發電氣故障和系統錯誤，從而影響作戰使用和飛行安全[3-4]。

電氣元器件在海洋大氣環境下的腐蝕，本質上是電化學腐蝕，施加緩蝕劑的作用就是切斷電化學反應的反應鏈路。在已經完成結構設計和材料選擇的機載設備中，使用緩蝕劑是1種成本可控、操作簡便并且效果可以得到驗證的腐蝕控制方法[5-9]。國內外對PCB 在緩蝕劑防護下的效果和機理開展了廣泛的研究。文獻[10]研究了PCB 在薄液膜下的大氣腐蝕過程，認為經過長時間暴露后，PCB 表面的微孔腐蝕區域會產生微裂紋，導致Cl-滲透到基體Cu中；文獻[11]通過開展濕熱和酸性大氣循環試驗，總結出PCB的腐蝕損傷歷程可以分為表面鍍層腐蝕、基底金屬腐蝕發生與擴展、元器件芯腔內腐蝕失效3個階段；文獻[12]采用電化學測試和Kelvin探針等方法，測定了PCB的腐蝕速率隨加速試驗周期的變化規律，解釋了從局部區域腐蝕到均勻腐蝕的轉換過程；文獻[13]針對艦載機服役的海洋環境，開展了Super CORR-A 緩蝕劑條件下PCB的加速腐蝕試驗研究，發現該緩蝕劑具有良好的水置換能力、滲透能力和成膜能力，可有效抑制和減緩PCB 的腐蝕；文獻[14]通過試驗測評了國產DZ-1電子設備緩蝕劑的使用性能，其中包括基本物理性能、海水置換性、金屬腐蝕性、耐鹽霧性能、電學性能以及材料適應性等；文獻[15]采用密度泛函理論和分子動力學方法，研究了2 種緩蝕分子的反應活性和熱力學性質，為銅箔軋制油緩蝕劑確定了最佳復配比；文獻[16]研究了某混合抑制型緩蝕劑復配體系在模擬酸性海洋大氣環境中對鋅的腐蝕影響，分析了其緩蝕性能和機理；文獻[17]針對銅/鋁在特定環境中的腐蝕問題，從腐蝕介質運動、侵蝕粒子和局部腐蝕的角度，研究了新型緩蝕劑的性能。

可以發現，在以往的緩蝕劑對PCB的防護效果研究中，主要采取了實驗室加速或模擬試驗的方式，這種方式雖然具有周期短、條件可控及數據獲取方便等優點，但實驗室模擬的試驗環境突出強化了某些重要的影響因素，其作用效果可能與實際海洋環境有所不同，因而開展自然暴露試驗是十分必要的。

本文采用棚下大氣暴露試驗的方法，研究3 種不同電子電氣設備專用緩蝕劑在典型熱帶海洋大氣環境下對PCB的防護效果，觀察對比其腐蝕形貌和導電性能變化等行為，為揭示PCB腐蝕規律和電子設備防腐蝕維護工作提供參考。

1 試驗

通過自然暴露試驗，觀察使用了3 種不同緩蝕劑和未使用緩蝕劑的PCB的不同腐蝕行為，對比驗證不同緩蝕劑的防護效果。

1.1 試樣

本試驗使用3種不同類的國產電子電氣產品專用緩蝕劑，編號分別為H1、H2和H3。其中，H1牌號為DJ823，H2牌號為T20，H3為某公司新研產品，無牌號。

試件為16片PCB，每4片為1組，各組分別為使用不同緩蝕劑和不使用緩蝕劑的狀態。制作試樣時：首先，使用無水乙醇清洗樣品表面，去除油污或手汗的影響；然后，按照分組對樣品噴涂不同類型的緩蝕劑，待緩蝕劑自然風干后，測試樣品的初始電性能，測試參數為導通電阻；最后，對全部樣品進行全面的外觀檢查并拍照記錄。試驗PCB如圖1所示。

圖1 試驗PCBFig.1 Test PCB

1.2 棚下大氣暴露試驗

機載PCB 主要應用在飛機封閉或半封閉艙室內的電子設備中，不直接接觸外部大氣環境，因此，本試驗采用棚下大氣暴露試驗的方法。試驗地點為我國南海某島礁天然暴露試驗場，參照GJB 8893—2017《軍用裝備自然環境試驗方法》[18]的要求具體實施。

試驗共進行4次取樣，每次在每組各取1片，取樣時間分別為第3、6、9和第12個月。

1.3 腐蝕形貌和產物觀測

每次取樣后，使用干凈的軟毛刷和紗布清理表面積鹽，詳細記錄試驗件外觀，并進行相關測試。采用掃描電鏡和能譜分析等技術手段對試驗件微觀腐蝕形貌及腐蝕產物成分特征等進行觀測和分析。

1.4 導通電阻測試

每次取樣后，選擇PCB固定位置的通孔測量導通電阻，每個試樣測量5次后取平均值，測試位置如圖2紅色框線所示。測試設備為直流低電阻測試儀，型號TH22512B，精度1 μΩ。

圖2 PCB通孔導通電阻測試位置（紅色框線）Fig.2 PCB through-hole on-resistance test position(red box line)

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀形貌

不同取樣時間下的PCB宏觀形貌，如圖3所示。

圖3 不同試驗階段的PCB宏觀腐蝕情況Fig.3 Macroscopic corrosion conditions of PCBs at different test stages

暴露3個月時，引線孔均未出現明顯腐蝕。暴露6個月時：未使用緩蝕劑的樣品出現了輕微的腐蝕，有少量引線孔表面生成了黃色產物；使用緩蝕劑的樣品未見腐蝕。暴露9 個月時：未使用緩蝕劑樣品已經腐蝕得非常嚴重，幾乎全部引線孔周圍都堆積了大量的深褐色腐蝕產物；使用H1、H2樣品未見明顯腐蝕；使用H3樣品的有少部分引線孔表面出現了少量淡黃色腐蝕產物。暴露12個月時：未使用緩蝕劑的樣品已經全部腐蝕，表面堆積大量黑色產物；使用H1、H3的樣品也出現了一定程度的腐蝕，部分引線孔有黃色腐蝕產物堆積；使用H2的樣品腐蝕程度最為輕微，部分引線孔周圍堆積了少量顏色較淺的產物。

從宏觀腐蝕形貌的角度進行對比，防護效果為H2＞H1,H3＞無緩蝕劑。

2.2 微觀腐蝕形貌與產物

對自然暴露12 個月的PCB 進行電鏡觀察和能譜分析，結果如圖4所示。可以看出，各樣品均發生了比較嚴重的腐蝕。未使用緩蝕劑的樣品腐蝕最為嚴重，引線孔被大量黑色產物覆蓋，多處形成鼓泡；使用緩蝕劑H1和H2的樣品引線孔表面也被腐蝕產物完全覆蓋，形成了較多數量的鼓泡；使用H3緩蝕劑的樣品引線孔表面被較多的黑色產物覆蓋，部分區域呈現白色金屬光澤，可能是由于表面腐蝕產物受外力作用脫落而成。通過元素分析可知，通孔表面的腐蝕產物中含有少量的Cl 和Na，這表明海洋大氣中存在鹽分的沉降，但由于試驗件處于棚下環境，沉降量較少。各樣品腐蝕產物的主要成分是Sn、O、C和Pb，應是基材Sn和焊料中Pb 的氧化物和少量氯化物。其中，使用H3的樣品表面O 元素所占原子百分比最少，為20.25%，由此判斷H3具有更好的防護效果。

圖4 PCB微觀腐蝕形貌及產物組分Fig.4 Microscopic corrosion morphology and product composition of PCBs

從微觀腐蝕形貌和產物角度分析，3 種緩蝕劑的防護效果基本一致，H3的防腐蝕效果略優于另2種。

2.3 電氣性能

對PCB 在試驗的第3、6、9 和第12 個月時分別進行了導通電阻測試，結果如圖5所示。

圖5 PCB測試孔位的導通電阻變化情況Fig.5 Change of on-resistance of PCB test holes

測試導通孔的初始導通電阻均值為31.33 mΩ，噴涂緩蝕劑后，電阻增幅均在1.5 mΩ以內。開始暴露試驗后：未使用緩蝕劑樣品的接觸電阻明顯高于使用緩蝕劑的樣品，接觸電阻與時間呈整體上升趨勢，與腐蝕程度正相關。但是未使用緩蝕劑樣品在第12 個月時，其接觸電阻出現了較大幅度的下降，原因是腐蝕深度加深導致內層引線暴露串擾。

每次測量的導通電阻較前1次取樣的增幅，如圖6所示。

圖6 導通電阻較前1次取樣的增幅Fig.6 Increase of on-resistance from the previous sample

未使用緩蝕劑的PCB在第1次取樣時即產生了最大的電阻增幅百分比，隨后增幅逐步降低。而使用緩蝕劑的PCB的電阻增幅百分比整體在5%～25%之間波動，說明緩蝕劑對PCB的腐蝕具有抑制作用。

從電氣性能參數角度分析，使用緩蝕劑效果優于不使用緩蝕劑，緩蝕劑H2、H3效果基本一致，且從第9個月開始表現均優于H1。

3 結論

只有根據環境條件和被保護對象的特點來選擇緩蝕劑，才能充分發揮緩蝕劑效能，達到最優的保護效果。本文對使用3種不同種類緩蝕劑和未使用緩蝕劑的PCB 進行了棚下大氣暴露對比試驗，從腐蝕外觀、腐蝕產物及電氣性能參數變化方面分析了3 種緩蝕劑的作用效果。從宏觀腐蝕形貌的角度分析，防護效果為H2＞H1,H3＞,無緩蝕劑；從微觀腐蝕形貌和產物角度分析，H3的防腐蝕效果略優于其他2種緩蝕劑；從電氣性能參數角度分析，防護效果為H2,H3＞H1＞無緩蝕劑。本研究的結論可為飛機電子設備的外場使用維護提供參考。后續，可根據不同緩蝕劑的防護原理，結合被保護對象和環境條件的特點，開展相關的自然暴露和實驗室加速試驗，為篩選出高效緩蝕劑產品和提高腐蝕防護工作提供有益參考。