中船重工集團(tuán)第七二二研究所 鮑秀森 B A OX i u-s e n

印制電路板組件“三防”試驗失效分析與案例

中船重工集團(tuán)第七二二研究所 鮑秀森 B A OX i u-s e n

通過“三防”試驗分析與案例，提高三防設(shè)計或工藝的科學(xué)性、合理性。本文闡述了濕熱、鹽霧、霉菌試驗失效主要原因與案例,本文闡述了影響聚對二甲苯氣相沉積涂敷,鍍覆,液態(tài)涂料涂敷，應(yīng)力篩選,密封等試驗失效因素,從試驗方法、工藝控制、材抖選擇等諸多方面進(jìn)行分析,探討“避免”失效的措施。

環(huán)境試驗；失效分析；案例

1.言

在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，軍事電子產(chǎn)品的“三防”處理（防濕熱、防鹽霧、防霉菌）是確保軍事電子產(chǎn)品有效工作的重要工藝措施。作為軍事電子產(chǎn)品基本單元的印制電路板組件將時時處處受到濕熱、鹽霧、霉菌等惡劣環(huán)境的影響，我們可以看到電子設(shè)備在濕熱、鹽霧、霉菌條件下，金屬件、元器件、電路經(jīng)常發(fā)生腐蝕，絕緣電阻下降，信號傳輸失真，導(dǎo)致設(shè)備失效，所造成的損失是巨大的。根據(jù)統(tǒng)計，電子設(shè)備的失效（故障）有20%以上是由于腐蝕引起的，而腐蝕與濕熱、鹽霧、霉菌有密切的關(guān)系。有關(guān)專家曾指出，濕熱、鹽霧、霉菌引起的腐蝕失效是繼熱過載和功率過載之后，電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的主要原因，印制電路板組件“三防”試驗失效分析，足見其重要性。

軍事電子產(chǎn)品的“三防”環(huán)境試驗是考核軍事電子產(chǎn)品“三防”設(shè)計或材料 、元器件抗?jié)駸?、鹽霧、霉菌能力的重要手段,通過“三防”試驗失效分析與案例，提高“三防”設(shè)計或工藝的科學(xué)性、合理性至關(guān)重要。

2.霧試驗失效分析與案例

鹽霧試驗對產(chǎn)品的影響主要是化學(xué)反應(yīng)，如腐蝕、電蝕、表面劣化等化學(xué)現(xiàn)象，因為其主要成分是NaCl，化學(xué)反應(yīng)分解為堿性的HO根離子和酸性的Cl離子，尤其是Cl離子具有很小的水合性，容易吸附在金屬表面，同時，Cl離子的半徑很小（1.81*10-10），具有很強(qiáng)的穿透能力，導(dǎo)致防護(hù)材料保護(hù)膜出現(xiàn)小孔，破壞金屬鈍化，與金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕。

2.1.對二甲苯氣相沉積涂敷失效案例

聚對二甲苯它是在真空狀態(tài)下沉積產(chǎn)生，可以應(yīng)用在液態(tài)涂料所不敢涉及的領(lǐng)域如高頻電路、極弱電流系統(tǒng)的保護(hù)上。聚合物薄膜涂層厚度是影響聚對二甲苯氣相沉積敷防護(hù)失效主要原因,（見圖1）。

圖1. a r y l e n e膜涂層局部銹蝕失效

印制電路板組件聚合物薄膜涂層3～7微米厚度局部銹蝕失效,在不影響高頻介電損耗情況下涂層厚度應(yīng)≥30微米。

2.2.覆試驗失效分析與案例

基體材料為鐵、鋼、鋁、銅以及金屬合金材料的元器件均是容易被腐蝕的對象，（見圖2）因此，需要使用鍍覆進(jìn)行保護(hù)，常用的鍍覆方式有：鍍鉻、鎳、鋅、金、銀等，以及鋁板上導(dǎo)電氧化處理等鍍覆工藝，根據(jù)使用的需求和地方氣候條件不同而選用不同方式的鍍覆工藝。

圖2.件外殼產(chǎn)生局部銹蝕

2.2.1.鋅鍍覆失效案例

XX系列連接器的失效分析分：連接器基體材料為鋁，表面進(jìn)行了電鍍鎳處理，按照產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行了相關(guān)的驗證試驗并提供了證明文件，如：做過高溫、濕熱、沖擊鹽霧等試驗以及出廠檢驗等，證明提供的該批次產(chǎn)品是合格產(chǎn)品。腐蝕的原因是什么呢，認(rèn)為是電子設(shè)備在海洋氣候高濕熱、高鹽霧、易霉菌基地安裝，由于空氣中有較大濕度并含有鹽份，另外船體焊接鋼板時產(chǎn)生的氧化物 和 氟 化 物 ， 如Fe2O3、 SiO2、 TiO2、 MnFe2O4、K2C O3、 CaF2、KF、NaF等腐蝕性煙霧，以及伴隨著物理反應(yīng)的電焊弧光、高頻電磁波、熱輻射等，再加高溫天氣，以上綜合因素加速了連接器的腐蝕。同時，在安裝調(diào)試時，電連接器需要反復(fù)的拆裝，在拆裝過程中可能出現(xiàn)碰傷、劃傷，汗嘖等因素，破壞了表面防護(hù)層，也是導(dǎo)致加速腐蝕的直接原因。

分析結(jié)果表明，實驗室模擬的鹽霧試驗是能夠起到證明產(chǎn)品的抗腐蝕能力，但是，不是絕對的，實驗室僅僅是只能模擬海水的含鹽濃度（1-4%的NaCl溶液）加速對產(chǎn)品的腐蝕，而不能模擬實際使用環(huán)境條件，以上所說的不利因素與實際使用中的環(huán)境是有著較大的區(qū)別，一旦達(dá)到產(chǎn)品防護(hù)等級的極限環(huán)境條件，就會造成產(chǎn)品的失效。鑒于腐蝕嚴(yán)重，該連接器不符合使用要求，而將連接器更換為抗腐蝕性能更好的1Cr18Ni9Ti電連接器。

2.3.態(tài)涂料涂敷試驗失效分析與案例

印制電路板組件“三防”保護(hù)將主要使用液態(tài)涂料。根據(jù)我所印制電路板組件的試驗失效情況來看，主要暴露出問題是涂覆工藝問題，沒有嚴(yán)格按照制定的工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

2.3.1.制電路板組件涂覆失效案例

案例1在焊接有器件和插槽的印制電路板組件進(jìn)行48h的鹽霧試驗后，出現(xiàn)印制電路板組件金屬殼表面漆膜裂紋或脫落現(xiàn)象而導(dǎo)致其生銹，其他元器件、焊點等均沒有生銹，涂覆清洗工藝不到位，金屬殼表面沒有清理干凈，導(dǎo)致表面有雜質(zhì)/污垢附著，涂覆層沒有很好的附著力，在受到溫度的變化和100%RH的濕度條件以及鹽溶液的浸泡作用，產(chǎn)生涂覆層和金屬層剝離，出現(xiàn)起皮和生銹現(xiàn)象。

圖3.振金屬殼銹蝕

圖4.霧試驗

案例2晶振體進(jìn)行48h的鹽霧試驗后金屬殼底部出現(xiàn)銹蝕（見圖3 、 4），晶振體金屬殼底部腐蝕是底部未進(jìn)行涂覆防護(hù)導(dǎo)致，因為晶振體金屬殼底部與印制板間隙≤2mm沒有辦法噴涂三防漆，應(yīng)該是在晶振體金屬殼底部與印制板接觸處采取硅膠封閉或其他防護(hù)方式。

出現(xiàn)在試驗室內(nèi)模擬試驗通過而在安裝使用時出現(xiàn)問題，一方面是涂覆材料和工藝生產(chǎn)問題，另一方面也表明現(xiàn)在的試驗方法與實際使用狀態(tài)存在著較大差別，因此，環(huán)境工程人員也在探討更符合實際使用的試驗方法，a）鹽霧試驗的發(fā)展趨勢從恒溫試驗轉(zhuǎn)到循環(huán)鹽霧試驗，國外已經(jīng)采用多功能循環(huán)腐蝕試驗，即在一個箱子內(nèi)完成鹽霧、濕熱、干燥、導(dǎo)入空氣和時間控制，更進(jìn)一步模擬真實的海洋自然環(huán)境，達(dá)到更好的試驗效果。b）鹽霧沉降率是鹽霧試驗中的一個重要技術(shù)指標(biāo)，目前大多數(shù)實驗室采用的壓縮空氣噴霧塔方式，發(fā)展趨勢為超聲波霧化法形成，其產(chǎn)生的鹽霧沉降率更加均勻，鹽霧霧粒直徑更?。◣孜⒚椎?0微米之間），試驗方法更加符合標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。

實驗室大量 腐 蝕案例中，基本反應(yīng)都是涂覆工藝生產(chǎn)問題，不是涂覆材料質(zhì)量問題，也不是涂覆工藝制定的問題，因為涂覆工藝及材料可以根據(jù)三防設(shè)計規(guī)范為指導(dǎo)，而是涂覆生產(chǎn)過程出現(xiàn)問題，表面清洗的干凈與否，涂層的厚度、均勻度的一致性與否等，都是導(dǎo)致大量的試驗失效案例。

3.熱試驗失效分析與案例

濕熱試驗會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)為金屬的氧化或電蝕；物理反應(yīng)表現(xiàn)為材料特性的變化，例如：由于吸附作用引起材料膨脹；物理強(qiáng)度降低；彈性或塑性改變；產(chǎn)生凝露和游離水導(dǎo)致電氣短路等。近年來，濕熱試驗中產(chǎn)品出現(xiàn)的問題是越來越少，尤其是在電氣性能方面，表明三防技術(shù)和工藝制造上越來越受到重視。

3.1.封設(shè)備功能失效

我所XX密封設(shè)備，在做交變濕熱試驗時（溫度30～60℃，相對濕度95%），產(chǎn)品不能夠正常工作。停機(jī)打開機(jī)箱進(jìn)行察看，發(fā)現(xiàn)印制電路板組件的邊角與電容相連接處產(chǎn)生腐蝕，并且在機(jī)箱的底部有積水，印制電路板組件是經(jīng)過三防處理，而且機(jī)箱是用密封條進(jìn)行密封處理的，還是出現(xiàn)了潮濕腐蝕。分析結(jié)果表明：1)設(shè)計機(jī)箱的密封性不是絕對的，是相對的，在高溫高濕和低溫高濕的空氣條件下，由于結(jié)合處密封條與機(jī)箱在熱脹冷縮的環(huán)境下，材料的膨脹系數(shù)不一樣，造成不完全密封，也有可能密封條經(jīng)過溫度濕度條件后產(chǎn)生老化，也不排除在裝備工藝上造成密封不好，使得高濕的空氣滲透到機(jī)箱內(nèi)，由于機(jī)箱內(nèi)是輻射傳導(dǎo)，熱平衡速率比試驗箱內(nèi)溫度對流熱平衡慢，在溫度變化時，高水份的飽和空氣容易在機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生凝露積水。2)印制板上的三防處理工藝問題，嚴(yán)格意義上，印制電路板組件上即使有水也難以造成腐蝕，必然是在涂覆三防漆的工藝過程中，電容腳跟部三防漆沒有涂覆好，因此，三防的涂覆工藝是直接影響到產(chǎn)品的適應(yīng)環(huán)境的能力。

為了更好的提高設(shè)備的防潮濕能力，在試驗前，有必要進(jìn)行預(yù)處理，因為機(jī)箱內(nèi)是密封處理的，對外是不對流的，靠輻射傳導(dǎo)，交變濕熱試驗是會產(chǎn)生凝露和吸附物理現(xiàn)象，為了避免大量的凝露和吸附現(xiàn)象，保證機(jī)箱內(nèi)的空氣濕度趨向于0%RH，絕對含水量少，機(jī)箱密封在理想條件下是可以實現(xiàn)的，因此，類似的機(jī)箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在做試驗前進(jìn)行除濕處理，如在箱體內(nèi)充氮氣或干空氣；在高溫干燥的環(huán)境條件下進(jìn)行密封安裝等，確保箱內(nèi)空氣干燥。反之，對于非密封型的產(chǎn)品，就要考慮機(jī)箱內(nèi)空氣的流通性和排水能力，流通性越好，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)材料與空氣之間的溫度差容易減小，就不容易產(chǎn)生凝露，因為低溫高濕向高溫高濕的條件轉(zhuǎn)變時，空氣中的絕對含水量在增加，空氣溫度比產(chǎn)品的溫度上升快，達(dá)到一定的溫差時，產(chǎn)品上就會產(chǎn)生凝露，溫差越大，凝露現(xiàn)象越明顯，凝露的水沒有及時的排去，這一物理現(xiàn)象就會增加產(chǎn)品受到腐蝕的幾率和降低了絕緣強(qiáng)度，嚴(yán)重影響到產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2.漆涂層失效

XX控制機(jī)柜濕熱試驗出現(xiàn)油漆起層、起皺現(xiàn)象，這是在濕熱試驗中常常暴露的問題。出現(xiàn)油漆起皮主要問題是在做油漆防護(hù)處理時，底層處理不干凈造成，有污垢，導(dǎo)致油漆的附著力不夠均勻，在受到潮氣的滲透和溫度的變化作用下，出現(xiàn)了油漆起皮起泡表面現(xiàn)象，用手觸摸會破裂。分析認(rèn)為起皺的原因仍然是底層處理不干凈有污垢造成，在潮氣的影響下出現(xiàn)金屬與膜層分離，經(jīng)過溫度的變化，出現(xiàn)了起皺。因此，生產(chǎn)工藝的不足，表面的除污處理是導(dǎo)致類似情況失效發(fā)生的直接原因。

4.菌試驗失效分析與案例

霉菌試驗屬于真菌污染，能夠在大多數(shù)的有機(jī)材料上生存，霉菌的腐蝕主要影響到有機(jī)材料，如皮革、木材、織物、纖物、絲綢等，會造成絕緣材料表面由于濕潤的菌絲層形成導(dǎo)電通路而大幅度地降低絕緣電阻，在電子電路的電磁場內(nèi)，引起電路頻率-阻抗特性發(fā)生嚴(yán)重的變化，材料受到侵蝕導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度下降和其他物理性能的變化，長霉后既損外觀，又有霉味，使人感到厭惡。

霉菌試驗失效的影響沒有其他環(huán)境試驗對產(chǎn)品的影響直接和明顯，主要是試驗周期時間長，問題難以快速暴露，并且，暴露的問題對產(chǎn)品的影響是有限的，比如外觀受損、產(chǎn)生霉味等不影響電氣性能工作的事件，往往得不到工程設(shè)計人員的重視。霉菌試驗是裝備產(chǎn)品定型試驗的重要一項，從實驗室完成霉菌試驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，霉菌試驗需求越來越大。由于霉菌試驗是掛樣進(jìn)行，主要是因為其試驗周期長，試驗成本高，掛樣試驗基本可以驗證該使用的防護(hù)材料、涂覆工藝抗霉的等級?？梢?，霉菌防護(hù)在工程設(shè)計上逐漸得到重視。

我所霉菌試驗一般是采取掛樣試驗，合格后才能按照工藝進(jìn)行生產(chǎn)。霉菌試驗因氣候影響而呈現(xiàn)出掛樣試驗合格慨率變化,對同一種材料、工藝生產(chǎn)的進(jìn)行掛樣霉菌試驗時，第一批次霉菌等級為2級，第二批長霉等級由2級發(fā)展到≥3級，試驗結(jié)果不合格。原因分析認(rèn)為，因為武漢地區(qū)梅雨季節(jié)濕度≥85～98%，夏季氣候高溫潮濕并且空氣質(zhì)量差有利真菌生長，在生產(chǎn)、周轉(zhuǎn)過程中掛樣易受到真菌污染。

由于種種因素整機(jī)做霉菌試驗的事例較少，對于掛樣進(jìn)行霉菌試驗的產(chǎn)品，僅僅是考核了有機(jī)防護(hù)材料的抗長霉能力，對于整機(jī)產(chǎn)品，不僅考核了產(chǎn)品外殼防護(hù)材料的抗霉等級，還考核了其在高濕度狀態(tài)條件下的防潮濕能力。由于霉菌試驗周期時間長，費用昂貴，并且受到霉菌試驗箱大小的限制，一般產(chǎn)品都是使用了掛樣方式進(jìn)行代替整機(jī)考核驗證試驗，這不能夠充分暴露產(chǎn)品的缺陷，因此，建議有條件的單位實施整機(jī)霉菌試驗工作。

在大量的總結(jié)經(jīng)驗中，防止長霉的方法有：盡量使用高度耐霉性材料；使用防霉劑；避免在裝配產(chǎn)品時形成長霉的潮濕區(qū)，如：不密封的插頭插座之間，將設(shè)備完全密封，并充干燥清潔的氣體，是防霉的最有效的方法；加強(qiáng)使用現(xiàn)場的空氣流通；及時清理沉積在設(shè)備上的灰塵；如有可能，使用加熱除濕設(shè)備；放干燥劑、紫外線或臭氧滅菌等方法。

5.束語

對于環(huán)境試驗失效現(xiàn)象的對策與措施,應(yīng)圍繞著“三防”設(shè)計、工藝控制和試驗方法選擇進(jìn)行。從材抖、器件選用、鍍覆表面處理到周轉(zhuǎn)過程等方面落實試驗措施,同時考慮整個防護(hù)工藝與環(huán)境試驗之間相互影響因素,最終使環(huán)境試驗順利。

[1]葉楊祥，潘肇基，涂裝技術(shù)實用手冊［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社1998.4

[2]電子行業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)匯編［M］太原：電子工藝標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會2005

[3]張學(xué)敏.涂裝工藝學(xué).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006.11

[4]GJB150軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法［S］

Research on Shipborne Print Circuit Module ’ s“NBC Defense ” Technology

T his paper analyzes the “ th ree defenses”trials and cases to improve the “ three defenses”process more scientific and more rational.Specifically,it analyzes the hot and humid,salt spray,mold as well as other “ three defenses” main reason for test failure； and discusses the factors of failure reasons which include gathers xylene gas phase deposition painting,plates duplicating,liquid state coating painting,stress screening,seal.Then it attempt topropose the measures and methods avoiding failure by discussing from the test methods,process control,material selection and many other aspects of buffeting.

environmental test;analysis of effect failure;cases

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鮑秀森，男，研究方向;涂裝工藝.環(huán)境試驗。