刘 琦，郁大照，乔松然，王 琳，王希彬，许振晓
（1.海军航空大学，山东烟台 264001；
2. 92279部队，山东烟台 264003；
3.中国商飞上海设计研究院，陕西西安 710089）
在湿热、盐雾等气候环境应力的作用下，机载电子设备具有更加强烈的腐蚀倾向、速度和程度[1-2]。印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）作为承载电子元器件并实现电气互联功能的重要载体，一旦发生腐蚀，可能会引发短路、断路以及串电等诸多问题，甚至可诱发电气故障和系统错误，从而影响作战使用和飞行安全[3-4]。
电气元器件在海洋大气环境下的腐蚀，本质上是电化学腐蚀，施加缓蚀剂的作用就是切断电化学反应的反应链路。在已经完成结构设计和材料选择的机载设备中，使用缓蚀剂是1种成本可控、操作简便并且效果可以得到验证的腐蚀控制方法[5-9]。国内外对PCB 在缓蚀剂防护下的效果和机理开展了广泛的研究。文献[10]研究了PCB 在薄液膜下的大气腐蚀过程，认为经过长时间暴露后，PCB 表面的微孔腐蚀区域会产生微裂纹，导致Cl-渗透到基体Cu中；
文献[11]通过开展湿热和酸性大气循环试验，总结出PCB的腐蚀损伤历程可以分为表面镀层腐蚀、基底金属腐蚀发生与扩展、元器件芯腔内腐蚀失效3个阶段；
文献[12]采用电化学测试和Kelvin探针等方法，测定了PCB的腐蚀速率随加速试验周期的变化规律，解释了从局部区域腐蚀到均匀腐蚀的转换过程；
文献[13]针对舰载机服役的海洋环境，开展了Super CORR-A 缓蚀剂条件下PCB的加速腐蚀试验研究，发现该缓蚀剂具有良好的水置换能力、渗透能力和成膜能力，可有效抑制和减缓PCB 的腐蚀；
文献[14]通过试验测评了国产DZ-1电子设备缓蚀剂的使用性能，其中包括基本物理性能、海水置换性、金属腐蚀性、耐盐雾性能、电学性能以及材料适应性等；
文献[15]采用密度泛函理论和分子动力学方法，研究了2 种缓蚀分子的反应活性和热力学性质，为铜箔轧制油缓蚀剂确定了最佳复配比；
文献[16]研究了某混合抑制型缓蚀剂复配体系在模拟酸性海洋大气环境中对锌的腐蚀影响，分析了其缓蚀性能和机理；
文献[17]针对铜/铝在特定环境中的腐蚀问题，从腐蚀介质运动、侵蚀粒子和局部腐蚀的角度，研究了新型缓蚀剂的性能。
可以发现，在以往的缓蚀剂对PCB的防护效果研究中，主要采取了实验室加速或模拟试验的方式，这种方式虽然具有周期短、条件可控及数据获取方便等优点，但实验室模拟的试验环境突出强化了某些重要的影响因素，其作用效果可能与实际海洋环境有所不同，因而开展自然暴露试验是十分必要的。
本文采用棚下大气暴露试验的方法，研究3 种不同电子电气设备专用缓蚀剂在典型热带海洋大气环境下对PCB的防护效果，观察对比其腐蚀形貌和导电性能变化等行为，为揭示PCB腐蚀规律和电子设备防腐蚀维护工作提供参考。
通过自然暴露试验，观察使用了3 种不同缓蚀剂和未使用缓蚀剂的PCB的不同腐蚀行为，对比验证不同缓蚀剂的防护效果。
1.1 试样
本试验使用3种不同类的国产电子电气产品专用缓蚀剂，编号分别为H1、H2和H3。其中，H1牌号为DJ823，H2牌号为T20，H3为某公司新研产品，无牌号。
试件为16片PCB，每4片为1组，各组分别为使用不同缓蚀剂和不使用缓蚀剂的状态。制作试样时：首先，使用无水乙醇清洗样品表面，去除油污或手汗的影响；
然后，按照分组对样品喷涂不同类型的缓蚀剂，待缓蚀剂自然风干后，测试样品的初始电性能，测试参数为导通电阻；
最后，对全部样品进行全面的外观检查并拍照记录。试验PCB如图1所示。
图1 试验PCBFig.1 Test PCB
1.2 棚下大气暴露试验
机载PCB 主要应用在飞机封闭或半封闭舱室内的电子设备中，不直接接触外部大气环境，因此，本试验采用棚下大气暴露试验的方法。试验地点为我国南海某岛礁天然暴露试验场，参照GJB 8893—2017《军用装备自然环境试验方法》[18]的要求具体实施。
试验共进行4次取样，每次在每组各取1片，取样时间分别为第3、6、9和第12个月。
1.3 腐蚀形貌和产物观测
每次取样后，使用干净的软毛刷和纱布清理表面积盐，详细记录试验件外观，并进行相关测试。采用扫描电镜和能谱分析等技术手段对试验件微观腐蚀形貌及腐蚀产物成分特征等进行观测和分析。
1.4 导通电阻测试
每次取样后，选择PCB固定位置的通孔测量导通电阻，每个试样测量5次后取平均值，测试位置如图2红色框线所示。测试设备为直流低电阻测试仪，型号TH22512B，精度1 μΩ。
图2 PCB通孔导通电阻测试位置（红色框线）Fig.2 PCB through-hole on-resistance test position(red box line)
2.1 宏观形貌
不同取样时间下的PCB宏观形貌，如图3所示。
图3 不同试验阶段的PCB宏观腐蚀情况Fig.3 Macroscopic corrosion conditions of PCBs at different test stages
暴露3个月时，引线孔均未出现明显腐蚀。暴露6个月时：未使用缓蚀剂的样品出现了轻微的腐蚀，有少量引线孔表面生成了黄色产物；
使用缓蚀剂的样品未见腐蚀。暴露9 个月时：未使用缓蚀剂样品已经腐蚀得非常严重，几乎全部引线孔周围都堆积了大量的深褐色腐蚀产物；
使用H1、H2样品未见明显腐蚀；
使用H3样品的有少部分引线孔表面出现了少量淡黄色腐蚀产物。暴露12个月时：未使用缓蚀剂的样品已经全部腐蚀，表面堆积大量黑色产物；
使用H1、H3的样品也出现了一定程度的腐蚀，部分引线孔有黄色腐蚀产物堆积；
使用H2的样品腐蚀程度最为轻微，部分引线孔周围堆积了少量颜色较浅的产物。
从宏观腐蚀形貌的角度进行对比，防护效果为H2＞H1,H3＞无缓蚀剂。
2.2 微观腐蚀形貌与产物
对自然暴露12 个月的PCB 进行电镜观察和能谱分析，结果如图4所示。可以看出，各样品均发生了比较严重的腐蚀。未使用缓蚀剂的样品腐蚀最为严重，引线孔被大量黑色产物覆盖，多处形成鼓泡；
使用缓蚀剂H1和H2的样品引线孔表面也被腐蚀产物完全覆盖，形成了较多数量的鼓泡；
使用H3缓蚀剂的样品引线孔表面被较多的黑色产物覆盖，部分区域呈现白色金属光泽，可能是由于表面腐蚀产物受外力作用脱落而成。通过元素分析可知，通孔表面的腐蚀产物中含有少量的Cl 和Na，这表明海洋大气中存在盐分的沉降，但由于试验件处于棚下环境，沉降量较少。各样品腐蚀产物的主要成分是Sn、O、C和Pb，应是基材Sn和焊料中Pb 的氧化物和少量氯化物。其中，使用H3的样品表面O 元素所占原子百分比最少，为20.25%，由此判断H3具有更好的防护效果。
图4 PCB微观腐蚀形貌及产物组分Fig.4 Microscopic corrosion morphology and product composition of PCBs
从微观腐蚀形貌和产物角度分析，3 种缓蚀剂的防护效果基本一致，H3的防腐蚀效果略优于另2种。
2.3 电气性能
对PCB 在试验的第3、6、9 和第12 个月时分别进行了导通电阻测试，结果如图5所示。
图5 PCB测试孔位的导通电阻变化情况Fig.5 Change of on-resistance of PCB test holes
测试导通孔的初始导通电阻均值为31.33 mΩ，喷涂缓蚀剂后，电阻增幅均在1.5 mΩ以内。开始暴露试验后：未使用缓蚀剂样品的接触电阻明显高于使用缓蚀剂的样品，接触电阻与时间呈整体上升趋势，与腐蚀程度正相关。但是未使用缓蚀剂样品在第12 个月时，其接触电阻出现了较大幅度的下降，原因是腐蚀深度加深导致内层引线暴露串扰。
每次测量的导通电阻较前1次取样的增幅，如图6所示。
图6 导通电阻较前1次取样的增幅Fig.6 Increase of on-resistance from the previous sample
未使用缓蚀剂的PCB在第1次取样时即产生了最大的电阻增幅百分比，随后增幅逐步降低。而使用缓蚀剂的PCB的电阻增幅百分比整体在5%～25%之间波动，说明缓蚀剂对PCB的腐蚀具有抑制作用。
从电气性能参数角度分析，使用缓蚀剂效果优于不使用缓蚀剂，缓蚀剂H2、H3效果基本一致，且从第9个月开始表现均优于H1。
只有根据环境条件和被保护对象的特点来选择缓蚀剂，才能充分发挥缓蚀剂效能，达到最优的保护效果。本文对使用3种不同种类缓蚀剂和未使用缓蚀剂的PCB 进行了棚下大气暴露对比试验，从腐蚀外观、腐蚀产物及电气性能参数变化方面分析了3 种缓蚀剂的作用效果。从宏观腐蚀形貌的角度分析，防护效果为H2＞H1,H3＞,无缓蚀剂；
从微观腐蚀形貌和产物角度分析，H3的防腐蚀效果略优于其他2种缓蚀剂；
从电气性能参数角度分析，防护效果为H2,H3＞H1＞无缓蚀剂。本研究的结论可为飞机电子设备的外场使用维护提供参考。后续，可根据不同缓蚀剂的防护原理，结合被保护对象和环境条件的特点，开展相关的自然暴露和实验室加速试验，为筛选出高效缓蚀剂产品和提高腐蚀防护工作提供有益参考。