李 茜，陈星昊，胡 涛，孙茂钧，王 玲，3
（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；
2.海南万宁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，海南万宁 571522；
3.重庆市环境效应与防护工程技术研究中心，重庆 400039）
在热带海洋环境下，由于飞机服役期间易受高温、高湿、高盐雾和强太阳辐射等典型海洋环境因素的长期影响，因此，机载电子设备及系统在海洋大气环境中的腐蚀与防护问题便成为了各界学者研究的焦点[1-2]。
印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）作为机载电子装备的关键部件之一，通常被安装于机舱内部封闭或半封闭的环境中，当外界环境中的盐雾和湿气等一旦通过舱室某处的间隙（如衔接部位）进入内部环境中，将不易扩散出来，盐雾和湿气等环境因素将会长期作用于PCB，从而导致电路板腐蚀。
PCB是电子设备的主要功能承载单元，其性能表现直接决定电子设备及其组成系统的环境适应性水平。因此，电路板上的1 个微小的腐蚀都可能使整个设备瘫痪[3-6]。
飞机的使用寿命约30 年，若在自然环境下评估PCB的环境适应性则需要较长的周期，这无法满足工程研制需求[7-9]。因此，本文采用实验室加速试验的方法，开展了典型机载电子设备PCB的盐雾和交变湿热的组合循环试验，通过宏微观观察和电性能测试结果，研究了盐雾和交变湿热老化条件下PCB的腐蚀行为，以期通过短时的实验室加速试验来评估服役若干年后飞机中PCB的性能。
1.1 试验样品
试验用PCB 为平板试样，表面用三防清漆处理，尺寸规格为100 mm×50 mm×1.5 mm，如图1所示。
图1 PCB试样Fig.1 PCB sample
1.2 试验方案设计
针对机载PCB 开展盐雾和交变湿热的组合循环试验，其中，加速试验应力水平的确定结合了航空机载设备在装备中的局部使用环境特征、热带海洋环境的特征及其主要环境因素影响作用等，同时参考了GJB 1217A—2009 和GJB 150A[10-12]以及相关研究[13-16]中的盐雾和交变湿热试验部分，设计盐雾和交变湿热的组合试验谱如图2所示。其中，1个循环试验周期由盐雾试验24 h（22 h 喷雾+2 h 干燥）和交变湿热试验96 h组成，共进行14个循环试验，即1 680 h。
图2 盐雾/交变湿热组合试验谱Fig.2 Salt spray/alternating damp heat combined test spectrum
1.3 性能检测
每2个循环周期后，对试验试样做1次性能检测，分别检测PCB 的宏微观腐蚀形貌和电性能等变化情况。采用Stemi2000-C 型蔡司体式显微镜和蔡司SEM，以及EDS 对试样腐蚀情况进行观察分析，并分别使用AT515型精密电阻和TH9320型交/直流绝缘耐压测试仪开展样品的接触电阻和绝缘耐压电性能检测，其中，能承受500 V 交流电压60 s 即介质耐电压为“合格”。
2.1 外观变化
为了研究盐雾和交变湿热老化后PCB 的表面腐蚀情况，试验后，对PCB的宏观形貌进行观察分析，其典型外观腐蚀形貌如图3所示。
图3 试验1 200 h后PCB外观腐蚀形貌Fig.3 Appearance corrosion morphology of PCB after 1 200 h test
通过分析可知：1 680 h 盐雾和交变湿热试验后，PCB的基材面漆在整个试验周期内光泽度略有下降，表面发暗，并且通过后续的微观分析发现其表面出现了明显的裂纹；
整个试验过程中，PCB 主要受盐雾中Cl-和交变湿热的交替变化影响，腐蚀集中出现在其焊点、焊盘、印制导线和引线头等金属部位。
为量化表征PCB表面腐蚀变化程度，分区对PCB基材面漆、焊盘、焊点、引线头和印制导线5 个部位进行细致观察分析，各部位见图3 红色框线区域。对试验后PCB 的外观腐蚀变化采用半定量法，即使用0～4的数值来表征PCB的表面腐蚀程度，具体外观检测结果如表1所示。试验初期，PCB的腐蚀变化不明显，但随着试验的进行，盐雾和交变湿热对PCB腐蚀影响逐渐加重，其中，对引线头的腐蚀最为明显且速度最快，这与裸露金属部位对盐雾和湿热的敏感性更强有关。
表1 PCB外观检测结果Tab.1 Appearance inspection result of PCB
2.2 腐蚀形貌分析
采用蔡司体式显微镜观察盐雾和交变湿热循环试验后PCB试样表面形貌，引线头和焊点的腐蚀形貌如图4所示。暴露在试验中的引线头最终被腐蚀氧化变成了全黑色。同样受盐雾、交变温度以及湿度的共同作用，PCB的焊点在试验初期仅为盐颗粒附着在焊点周围，后期亮银白色部分逐渐被氧化腐蚀生锈，失去金属光泽且颜色变黑变暗。
图4 PCB引线头和焊点的腐蚀形貌Fig.4 Corrosion morphology of PCB lead head and solder joint
随着盐雾和交变湿热试验时间的延长，观察发现PCB表面颜色加深，焊盘的腐蚀区域不断增多，如图5所示。原始PCB 上的焊盘光滑、均匀，线路中的导线外表平滑且完好无损，然而在试验过程中，腐蚀产物逐渐堆积在焊盘孔洞及其周边。试验1 440 h后，受盐雾的影响，焊盘和与其衔接导线的腐蚀现象明显加重，见图5 c）。焊盘上的焊锡金属基本被完全腐蚀，腐蚀产物附着在焊盘和导线上，使得原本光滑平整的焊盘和导线表面变得粗糙，导线轮廓凸显且表面堆积了1层粗糙且厚重的腐蚀产物。在盐雾和交变湿热试验1 680 h后，焊盘区域部分腐蚀产物出现脱落并形成了小的腐蚀坑，见图5 d）。
图5 不同试验时间PCB焊盘的腐蚀形貌Fig.5 Corrosion morphology of PCB pad at different test time
图6 给出了PCB 焊盘腐蚀扩展范围。试验过程中，PCB焊盘区域由较小的局部腐蚀逐渐扩大。试验进行1 200 h后，焊盘的最大腐蚀扩展范围约1 mm；
当盐雾和交变湿热试验进行到1 680 h后，焊盘的最大腐蚀扩展范围约是1 200 h 时的2 倍，最大的达到2.29 mm。
图6 PCB焊盘腐蚀扩展范围Fig.6 Corrosion expansion rang of PCB pad
试验初期，PCB试样的基材表面附着盐颗粒和少量的腐蚀产物。试验1 680 h 后，微观观察发现，其基材表面沿着印制导线腐蚀破坏严重的区域局部开始出现白斑、皱褶以及小面积微裂纹，如图7 所示，原来浅埋在基材中的印制导线在循环试验过程中先后经历了起泡、开裂和脱落过程。
图7 不同试验时间PCB印制导线腐蚀形貌Fig.7 Corrosion morphology of PCB printed wires at different test time
印制导线在试验1 200 h后出现了明显的起泡，且先从印制导线边缘的棱角处扩展开，起泡的尺寸增加，影响范围增大，见图7 b）；
试验1 440 h 后，原来的起泡部位，演变发展为表面覆盖层的开裂、脱落。随着印制导线表面覆盖层的开裂和脱落面积逐渐增大，印制导线内层基体铜线裸露在试验气氛中，并逐渐发生腐蚀氧化；
到试验1 680 h 结束时，由图7 d）可以清楚地看到，印制导线表面的覆盖层已大面积开裂和剥落，其因暴露在试验环境中颜色发生了明显的变化。
分析认为，相比其他部位，PCB 线路边缘涂层较薄，由于涂层微观空隙大且应力集中[17-18]，试验箱中湿气和Cl-等腐蚀介质很容易从界面渗入，导致涂层吸附力降低，从而使涂层出现溶胀、鼓泡现象，最终开裂和脱落等。
通过上述分析不难发现，PCB在模拟海洋大气环境中的腐蚀损伤特征主要是从其焊盘、焊点、引线头、印制导线和基材面漆部位诱发并扩展，因此，结构微区域越多的PCB，发生腐蚀的概率越高。为提升PCB在海洋大气环境中的使用寿命，实际应用中，应当加强其关键部位的保护和结构的优化改进，可优化焊点工艺，采用抗腐蚀性强的焊盘材料，对基材表面进行更耐腐蚀的喷漆处理等。
另外，根据对PCB不同试验时间后的腐蚀形貌分析可知，PCB的腐蚀破坏时间存在1个临界值，对于本模拟试验，其形貌发生腐蚀破坏的临界时间均为试验1 200 h。在PCB的实际应用中，为减少因其被腐蚀破坏而引发的机载设备故障，实际使用时间不应超过发生腐蚀破坏的临界点。
2.3 微观分析
为了加强对PCB的腐蚀形貌分析，本文有针对性地开展了对其关键部位中基材面漆、焊盘以及印制导线的微观形貌及能谱等分析，见图8～11。
观察可知，PCB原始试样表面涂层平整且无明显缺陷，见图8 a），但试验后，样品表面涂层却出现了明显的裂纹，且在试验过程中，裂纹在试样表面逐渐延伸扩展，裂纹面积进一步扩大，裂纹深度明显加深变宽，最终形成了图8 b）所示裂纹相互连接且深浅不一的网状裂纹。分析认为，受试验中温度、湿度和盐雾等环境因素的交替作用影响，涂层表面发生了腐蚀老化，因盐雾中的Cl-本身具有很强的穿透性，在试验过程中使PCB面漆受到破坏，从而进一步腐蚀基体。图8 c）能谱分析也进一步证明，试验后的PCB 样品表面确实附着大量的Na+和Cl-，主要是由盐雾试验这一过程中的NaCl溶液喷雾沉积所致，从而加速了样品表面的腐蚀破坏。图8 d）给出了PCB 试验前后样品表面红外光谱图，观察发现，尽管试样的基材面漆在试验过程中受到明显破坏，但其试验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等的强度、位置、形状变化均不明显，即其试验前后面漆的腐蚀机理没有发生改变。
图8 面漆的微观分析Fig.8 Micro analysis of finish
同样，通过观察试验后印制导线的微观形貌及能谱分析可知，印制导线表面的镀层出现了明显的剥落，内置铜导线基本暴露在基材表面，见图9 a）。印制导线能谱分析显示其主要含有Cu、O、Na、Cl、Ca 和Si等元素，表面镀层和基材中的铜导线在试验过程中均发生了明显的腐蚀，其中，铜导线在这一过程中出现了明显的氧化腐蚀产物，呈砖红色，见图7 d），研究显示[19]，铜的氧化腐蚀一般有3种：一是在常温下氧化会生成铜绿，碱式碳酸铜（Cu2（OH）2CO3）为绿色；
二是加热氧化会生成氧化铜（CuO），为黑色；
三是氧化成氧化亚铜（Cu2O），为砖红色。因此，本试验中的腐蚀产物为第3种情况。
图9 试验后印制导线微观形貌及能谱Fig.9 Micro morphology and energy spectrum of printed conductor after testing
进一步对比分析PCB 焊盘试验前后的微观形貌和能谱，如图10、11 所示。原始的焊盘表面受焊锡层的保护，该焊锡层中主要含有Sn和Pb以及少量的Mo元素，见图10 b），在试验过程中，焊盘表面的焊锡因被腐蚀破坏而变得凹凸不平，且有大量的腐蚀产物堆积在焊盘周围，见图11 a）。分析认为该腐蚀产物一方面是焊盘表面的Sn 和Pb 的氧化腐蚀产物；
另一方面是湿气和盐雾中的Cl-优先从受到破坏的焊锡保护层表面渗透到焊盘的基材中，使得基材铜发生了氧化进而形成了腐蚀产物。文献[20-22]分析可知，该绿色腐蚀产物的主要成分可能为Cu4（OH）6SO4和Cu2Cl（OH）3等，随着试验时间的延长，焊盘被腐蚀产物完全覆盖，失去了原有的金属光泽。
图10 原始焊盘微观形貌及能谱Fig.10 Micro morphology and spectrum of original PCB pad
图11 试验后焊盘微观形貌及能谱Fig.11 Micro morphology and energy spectrum of PCB pad after testing
2.4 电气性能变化
2.4.1 导通电阻变化
以2 个循环为1 个周期对PCB 的导通电阻、绝缘电阻和介质耐电压进行检测，其中，绝缘电阻和介质耐电压分别在PCB 同层之间、异层之间测试，本试验所用PCB 共3 层。不同盐雾和交变湿热试验后，PCB的导通电阻变化如图12所示。
图12 不同试验时间后PCB的导通电阻变化Fig.12 Change of on resistance of PCB after difference test time
试验初期，该种PCB 的导通电阻阻值无明显变化，约为44 mΩ。当试验进行到1 200 h，导通电阻出现增大趋势，增大约20%。到试验结束，PCB 导通电阻上升近50%，但导通性依然良好。另外，根据飞机实际工况，模拟其工作状态同步设计并开展了该PCB在湿热试验中的带电（24 V 直流电）对比试验。通过测试发现，带电的PCB与不带电的PCB导通电阻在试验过程中的变化较为相似，暂未出现明显的阻值增大情况，其变化值均在100 mΩ 以内。但随着试验的进行，根据现阶段导通电阻变化趋势，不难预见PCB 在试验后的导通电阻将逐渐增大直至最终失效。分析认为，因PCB上印制导线在试验过程中出现了明显的溶胀和鼓泡，见图7 b），这使得导通电阻初步增加，而随着时间的推进，受盐雾中Cl-介质和湿气以及温度交替变化的影响，印制导线表面覆盖层的腐蚀明显扩展，最终，覆盖层剥落，印制导线裸露腐蚀使得PCB的导通电阻增大。试验结果表明，带电试验对PCB的导通电阻的影响整体较小（这可能与飞机本身的通断电状态相关性较低有关），导通电阻受外界环境影响较大。
2.4.2 绝缘耐压变化
PCB经过不同试验时间后的同层之间、异层之间绝缘电阻变化见图9。从图中可知，该种PCB 在试验后同层之间绝缘电阻变化与异层之间绝缘电阻变化规律相似，PCB的绝缘电阻变化主要分为2个阶段：第1 阶段为试验前1 000 h，PCB 的绝缘电阻相对稳定不变，阻值均大于10 GΩ；
第2 阶段为试验1 000 h 以后，随着试验时间的持续增加，PCB 的绝缘电阻明显降低，且降低幅度明显增大，受盐雾和温湿度的交替影响，绝缘电阻的阻值最终降低在1～4 GΩ 之间。尽管绝缘电阻在盐雾和交变湿热循环试验1 680 h 后出现了明显的降低趋势，但PCB 同层之间、异层之间依然能承受60 s 的500 V 交流电压，介质耐电压检测均为“合格”，仅在1 200 h 后开始出现极小的漏电流现象。
图13 不同试验时间后PCB绝缘电阻变化Fig.13 Change of PCB insulation resistance after difference test time
已有研究[23-24]表明，盐雾环境中含有的NaCl 和交变湿热环境中的水以及氧气等很容易腐蚀电路板，其腐蚀形式主要有2种：一是破坏PCB表面的覆盖层；
二是腐蚀PCB 本身的材料。在腐蚀的第1 阶段，由于PCB受表面覆盖层的保护，其绝缘电阻和介质耐电压均未发生明显变化。随后，表面覆盖层受环境中的Cl-等介质影响，逐渐发生腐蚀破坏且破坏程度逐渐增大，同时，大量的腐蚀氧化产物产生，最终腐蚀PCB本身材料，使得其导电性能增强，绝缘性能和介质耐电压降低。
1）PCB 在盐雾和交变湿热循环试验中的腐蚀特征出现在其焊点、焊盘、印制导线和引线头等关键金属部位，其基材面漆的腐蚀破坏以裂纹为主。为提升PCB在海洋大气环境中的使用寿命，应当在其实际应用中加强关键部位的保护和结构的优化改进。
2）PCB 印制导线和焊盘均在盐雾和交变湿热循环试验1 200 h后开始出现明显的腐蚀，整个试验过程中：印制导线的腐蚀演变过程主要表现为溶胀、鼓泡、开裂、脱落和铜导线的腐蚀氧化；
焊盘的主要表现则是表面焊锡层和焊盘基材铜的氧化腐蚀，且腐蚀扩展范围可达2 mm以上。
3）PCB的导通电阻受带电试验影响较小，受环境因素的影响相对较大。在盐雾和交变湿热循环试验1 000 h 后，其导通电阻逐渐增大，最终增至约初始值的50%。
4）PCB在盐雾和交变湿热循环试验中，其同层之间、异层之间绝缘电阻变化规律相似，阻值变化主要分为2个阶段：第1阶段为试验1 000 h前，其绝缘电阻未发生明显变化，均大于10 GΩ；
第2 阶段为试验1 000 h 后，绝缘电阻表现出明显的降低趋势，最终降低在1～4 GΩ 之间。整个盐雾和交变湿热循环试验中，PCB的介质耐电压测试均为“合格”。