商用天井機(jī)PCBA沉銅孔裸銅爬行腐蝕微短路漏電失效分析與研究

摘 要：商用天井機(jī)相較與傳統(tǒng)空調(diào)器不僅外觀優(yōu)雅大方節(jié)約空間，而且可實(shí)現(xiàn)多向均勻出風(fēng)、出風(fēng)范圍廣，舒適度大大提升，而在其中心核心作用就是空調(diào)控制器功能實(shí)現(xiàn)，實(shí)際售后使用過程中或者使用環(huán)境較為惡劣條件下會(huì)出現(xiàn)控制器主板腐蝕異常從而造成主板失效，該失效模式對產(chǎn)品損害較大，目前急需全方位優(yōu)化評估，本文通過實(shí)際使用環(huán)境結(jié)合主板腐蝕條件進(jìn)行分析，著手從產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝、過程可靠性手段措施等一些問題進(jìn)行分析整改，提出意見性整改，進(jìn)而提高產(chǎn)品可靠性。

關(guān)鍵詞：商用空調(diào)；天井機(jī)；主控板；短路漏電；H2S爬行腐蝕

控制器是空調(diào)的主要部件，有空調(diào)“大腦”之稱，控制器主板做為機(jī)組運(yùn)行不可或缺的控制系統(tǒng)，當(dāng)主板出現(xiàn)失效機(jī)組就會(huì)停機(jī)給用戶帶來不好的體驗(yàn)，其中商用頂出風(fēng)多聯(lián)機(jī) , 在售后出現(xiàn)多單主板板面爬行腐蝕出現(xiàn)功能器件微短路等故障 , 故障失效突出。本文主要針對電器盒整機(jī)結(jié)構(gòu)分析，通過主板外觀檢查，實(shí)際使用環(huán)境，整機(jī)結(jié)構(gòu) , 模擬雨淋實(shí)驗(yàn)等多方面因素分析出故障失效原因，通過使用密封等措施來進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性，因此結(jié)合過程和售后數(shù)據(jù)來對主板的失效機(jī)理及工作可靠性進(jìn)行研究分析，具有非常重要的意義。

1 背景

某養(yǎng)殖場反饋天井機(jī)組出現(xiàn)通電無反應(yīng)，更換主板機(jī)組運(yùn)行正常，主板申請返回查看板面腐蝕嚴(yán)重，電話回訪售后和現(xiàn)場 核實(shí)安裝在養(yǎng)殖場里，養(yǎng)殖場密閉環(huán)境潮濕惡劣，場內(nèi)有大量的動(dòng)物糞便且密不通風(fēng)容易產(chǎn)生大量的氨氣及腐蝕性氣體易導(dǎo)致主板腐蝕失效，見圖 1 所示。機(jī)組在此惡劣環(huán)境中長期運(yùn)行失效是必然的，失效模式需要進(jìn)一步研究。

圖1 主板腐蝕

2 失效機(jī)理分析

2.1 爬行腐蝕概念

通過成分分析和資料查閱得出該失效模式為爬行腐蝕又叫“遷延腐蝕”、“慢性腐蝕”或“隱形腐蝕”，是 PCB 板上的銅和銀金屬腐蝕和隨后在 PCB 板表面上的硫化物腐蝕產(chǎn)物的爬行（遷延），導(dǎo)致相鄰電路短路，使電子設(shè)備發(fā)生故障。爬行腐蝕發(fā)生在裸漏的銅面上，受外部環(huán)境介質(zhì)（氣態(tài)或液態(tài)）的作用（化學(xué)的或電化學(xué)的）在其表面所起的擴(kuò)散、堆集而形成的異相反應(yīng)，進(jìn)而變成氧化物、硫化物、氯化物等化合物的現(xiàn)象。

2.2 失效成分測試

銅環(huán)和過孔沉銅點(diǎn)發(fā)暗，不論是失效的電容、電阻還是其它器件都存在大面積氧化腐蝕，對失效樣品上殘留氧化物進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)硫元素含量很高，占到 15.306%，見圖 2 所示。因此，從失效現(xiàn)象表現(xiàn)和樣品成分分析結(jié)果來看，造成故障的原因是應(yīng)用環(huán)境中的硫浸蝕導(dǎo)致。

圖2 腐蝕成分測試

2.3 爬行腐蝕失效機(jī)理

爬行腐蝕發(fā)生在裸露的銅（銅、銅合金等）面上。銅面在含硫物質(zhì)（單質(zhì)硫、硫化氫、硫酸、有機(jī)硫化物等）的作用下會(huì)生成大量的硫化物。銅的氧化物是不溶于水的。但是銅的硫化物和氯化物卻會(huì)溶于水，在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，具有很高的表面流動(dòng)性。生成物會(huì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。硫化物具有半導(dǎo)體性質(zhì)，且不會(huì)造成短路的立即發(fā)生，但是隨著硫化物濃度的增加，其電阻會(huì)逐漸減小并造成短路失效。此外，該腐蝕產(chǎn)物的電阻值會(huì)隨著溫度的變化而急劇變化，可以從 10 MΩ 下降到 1 Ω。濕氣（水膜）會(huì)加速這種爬行腐蝕：硫化物（如硫酸、二氧化硫）溶于水會(huì)生成弱酸，弱酸會(huì)造成硫化銅的分解，迫使清潔的銅表面露出來，從而繼續(xù)發(fā)生腐蝕。顯然濕度的增加會(huì)加速這種爬行腐蝕。

2.4 爬行腐蝕的影響因素

2.4.1 大氣環(huán)境因素的影響

作為大氣環(huán)境中促進(jìn)電子設(shè)備腐蝕的元素和氣體，被列舉的有：SO₂、NO₂、H₂S、O₂、HCI、C_l2、NH₃ 等，腐蝕性氣體成分的室內(nèi)濃度、蓄積速度、發(fā)生源、影響和容易受影響的材料及容許濃度見表 1 所示。上述氣體一溶入水中，就容易形成腐蝕性的酸或鹽。

表1 環(huán)境因素表

2.4.2 濕度

根據(jù)爬行腐蝕的溶解 / 擴(kuò)散 / 沉積機(jī)理，濕度的增加應(yīng)該會(huì)加速硫化腐蝕的發(fā)生。Ping Zhao 等人認(rèn)為，爬行腐蝕的速率與濕度成指數(shù)關(guān)系。Craig Hillman 等人在混合氣體實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，隨著相對濕度的上升，腐蝕速率急劇增加，呈拋物線狀。以 Cu 為例，當(dāng)濕度從 60% RH 增加到 80% RH 時(shí)，其腐蝕速率后者為前者的 3.6 倍，而濕度從 60% RH 增加到 80% RH 在江南多雨地區(qū)是常事。

2.4.3 基材和鍍層材料的影響

Conrad 研究了黃銅、青銅、CuNi 三種基材，Au/ Pd/SnPb 三種鍍層結(jié)構(gòu)下的腐蝕速率，實(shí)驗(yàn)氣氛為干 / 濕硫化氫。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：基材中黃銅抗爬行腐蝕能力最好，CuNi 最差；表面處理中 SnPb 是最不容易腐蝕的，Au、Pd 表面上腐蝕產(chǎn)物爬行距離最長。AlcatelLucent、Dell、Rockwell Automation 等公司研究了不同表面處理單板抗爬行腐蝕能力，認(rèn)為 HASL、Im-Sn 抗腐蝕能力最好，OSP、ENIG 適中，Im-Ag 最差。Alcatel-Lucent 認(rèn)為各表面處理抗腐蝕能力排序如下：ImSn～ HASL5ENIG ＞ OSP ＞ ImAg?；瘜W(xué)銀本身并不會(huì)造成爬行腐蝕，但爬行腐蝕在化學(xué)銀表面處理中發(fā)生的概率卻更高，這是因?yàn)榛瘜W(xué)銀的 PCB 露銅或表面微孔更為嚴(yán)重，露出來的銅被腐蝕的概率比較高。

2.4.4 焊盤定義的影響

Dell 的 Randy 研究認(rèn)為，當(dāng)焊盤為阻焊掩膜定義（SMD）時(shí)，由于綠油側(cè)蝕存在，PCB 露銅會(huì)較為嚴(yán)重，因而更容易腐蝕。采用非阻焊掩膜（NSMD）定義方式時(shí)，可有效提高焊盤的抗腐蝕能力。

2.4.5 單板組裝的影響

1）再流焊接，再流的熱沖擊會(huì)造成綠油局部產(chǎn)生微小剝離，或某些表面處理的破壞（如 OSP），使電子產(chǎn)品露銅更嚴(yán)重，爬行腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增加。由于無鉛再流溫度更高，故此問題尤其值得關(guān)注。

2）波峰焊接，據(jù)報(bào)導(dǎo)，在某爬行腐蝕失效的案例中，腐蝕點(diǎn)均發(fā)生在夾具波峰焊的陰影區(qū)域周圍，因此認(rèn)為助焊劑殘留對爬行腐蝕有加速作用。

其可能的原因是：

1）助焊劑殘留比較容易吸潮，造成局部相對濕度增加，反應(yīng)速率加快；

2）助焊劑中含有大量污染離子，酸性的 H+ 還可以分解銅的氧化物，因此也會(huì)對腐蝕有一定的加速作用。

3 爬行腐蝕的防護(hù)措施

隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，大氣將進(jìn)一步惡化，爬行腐蝕將越來越受到電子產(chǎn)品業(yè)界的普遍關(guān)注，歸納對爬行腐蝕的防護(hù)措施主要有：

1）采用三防涂敷無疑是防止 PCBA 腐蝕的最有效措施；

2）設(shè)計(jì)和工藝上要減小 PCB、元器件露銅的概率；

3）組裝過程要盡力減少熱沖擊及污染離子殘留；

4）整機(jī)設(shè)計(jì)要加強(qiáng)溫、濕度的控制；

5）機(jī)房選址應(yīng)避開明顯的硫污染；

6）爬行腐蝕、離子遷移枝晶及 CAF 等的異同馬里蘭大學(xué)較早研究了翼型引腳器件上的爬行腐蝕，并對腐蝕機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。與離子遷移枝晶、CAF 類似，爬行腐蝕也是一個(gè)傳質(zhì)的過程，但三者發(fā)生的場景、生成的產(chǎn)物及導(dǎo)致的失效模式并不完全相同，具體對比，見表 2 所示。

表2 環(huán)境因素表

4 可靠性提升解決方案

天井機(jī)安裝方式為內(nèi)機(jī)吊頂式，應(yīng)用環(huán)境比較特殊。如養(yǎng)殖場、火鍋店等濕氣較大，環(huán)境較為惡劣的地方，使用環(huán)境空氣中均存在大量的濕氣和氧化物。經(jīng)過分析，腐蝕主板是密封性差，PCB 裸銅外漏導(dǎo)致，經(jīng)過時(shí)間的推移加上機(jī)組密封可靠性不足，極易造成硫化物的腐蝕產(chǎn)生，進(jìn)而造成主板失效。工藝要求主板正反面實(shí)施 3 層密封膠均勻涂覆，保證涂覆均勻性、厚度及整機(jī)結(jié)構(gòu)密封性優(yōu)化。同時(shí)，采取 PCB 工藝優(yōu)化，將裸銅區(qū)域使用綠油覆蓋方式避免裸銅在空氣中暴露，多方面優(yōu)化整改進(jìn)而解決銅腐蝕微短路失效問題。

圖3 整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

5 失效整改總結(jié)及意義

從上述爬行腐蝕產(chǎn)生的機(jī)理、產(chǎn)生爬行腐蝕的因素和案例可以看出，爬行腐蝕的產(chǎn)生需要兩個(gè)“媒體”的介入，其一是腐蝕源，也就是含硫物質(zhì)；其二是被腐蝕物質(zhì)一露銅或銀，這兩個(gè)條件缺少任意一個(gè)爬行腐蝕就不可能產(chǎn)生。從分析中可以看到，含硫物質(zhì)主要存在于大氣、濕氣和助焊劑殘留物，而露銅主要產(chǎn)生于用阻焊掩膜定義 (SMD) 焊盤、焊接熱沖擊造成阻焊膜局部產(chǎn)生微小剝離而露銅，某些表面處理的破壞而露銅。爬行腐蝕的現(xiàn)象表明，只要我們提高對產(chǎn)品質(zhì)量的重視程度和產(chǎn)品可靠性的評估，采取科學(xué)規(guī)范的的措施是完全可以避免的，從而提高整機(jī)可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張婧,李海新.焊接接頭的腐蝕研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2018(06).

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)