模擬海洋大氣環(huán)境下PCB-HASL的腐蝕行為與機理

戰(zhàn)貴盼，韓永恒，譚曉明，叢凱，趙仁杰

模擬海洋大氣環(huán)境下PCB-HASL的腐蝕行為與機理

戰(zhàn)貴盼1，韓永恒1，譚曉明2，叢凱1，趙仁杰1

（1.海裝駐北京地區(qū)軍事代表局，北京 100074；2.海軍航空大學青島校區(qū)，山東 青島 266041）

基于艦載機服役海洋環(huán)境，針對熱風整平無鉛噴錫印制電路板（Hot Air Solder Level Printed Circuit Board，PCB-HASL）開展加速腐蝕試驗研究，揭示其腐蝕機理，表征其宏/微觀腐蝕電化學行為。根據(jù)實測的服役海洋大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，基于編制的加速腐蝕試驗環(huán)境譜，針對PCB-HASL開展了加速腐蝕試驗。采用電化學工作站測試不同腐蝕周期試樣的極化曲線和電化學阻抗譜，表征了腐蝕電化學機理和宏觀電化學特性。采用掃描Kelvin探針技術測試了不同腐蝕周期試樣表面Kelvin電位分布特征，表征了微區(qū)電化學特性。腐蝕第6周期時，PCB-HASL的絕緣電阻大幅度衰減，達到失效臨界狀態(tài)；第0～2周期，自腐蝕電流密度由1.43 μA/cm2陡增至3.97 μA/cm2，腐蝕速率快速增大，局部區(qū)域誘發(fā)腐蝕；第2～3周期，自腐蝕電流密度降低，腐蝕速率降低；第3～4周期，自腐蝕電流密度稍有增大，腐蝕速率稍微增加，腐蝕產(chǎn)物局部發(fā)生脫落；第4～7周期，自腐蝕電流密度減小，在第7周期達到最小，為0.55 μA/cm2，相比第2周期降低了86%，呈明顯的均勻腐蝕特征。Kelvin電位分布和電荷轉移電阻的倒數(shù)（1/ct）隨加速腐蝕試驗周期的變化規(guī)律與自腐蝕電流密度的變化規(guī)律相吻合。PCB-HASL的腐蝕速率隨加速試驗周期大致呈增大—減小—小幅增大—減小的變化規(guī)律，由初期的局部區(qū)域腐蝕逐漸轉變?yōu)楹笃诘木鶆蚋g，在表面形成較為致密的腐蝕產(chǎn)物層，使得腐蝕速率大大降低。

海洋環(huán)境；PCB-HASL；微區(qū)電化學；掃描Kelvin探針技術；電化學阻抗譜；腐蝕行為和機理

腐蝕是導致航空電子設備和系統(tǒng)故障的主要原因之一。美軍資料表明，大約40%的軍用飛機機載電子設備故障是由腐蝕直接導致的[1-2]。印制電路板作為飛機電子設備和系統(tǒng)的重要組成部件，在嚴酷海洋環(huán)境條件下容易發(fā)生腐蝕，成為影響任務成功率和戰(zhàn)備完好性的關鍵因素。熱風整平無鉛噴錫印制電路板（PCB-HASL）以其優(yōu)良的耐蝕性、經(jīng)濟性和可焊性等優(yōu)點而廣泛應用于航空電子設備中，且隨著戰(zhàn)技指標要求的提高，印制電路板逐漸向微型化、集成化方向發(fā)展[3-5]。在惡劣的海洋環(huán)境條件下，印刷電路板會直接或間接遭受濕熱、鹽霧、酸性大氣等環(huán)境條件的交互或協(xié)同侵蝕作用[6-8]，腐蝕介質的吸附和薄液膜的積聚使得印刷電路板容易發(fā)生電化學腐蝕，腐蝕產(chǎn)物的堆積會影響電路板的導電和絕緣性能等參量的改變，導致其發(fā)生短路、斷路、接觸不良等故障，嚴重時導致系統(tǒng)失效[9]，對航空電子設備的可靠性和完好性構成嚴重的挑戰(zhàn)[10-12]。

在海洋環(huán)境條件下印制電路板主要發(fā)生電化學腐蝕[13]，受服役環(huán)境中Cl–、SO2、pH值等因素的影響顯著，印制電路板腐蝕失效的可能性會顯著增加[14]。國內(nèi)外研究人員采用各種宏微觀測試手段對印制電路板在各種模擬環(huán)境下的腐蝕行為做了大量的研究工作。丁康康等[15-16]利用EIS和SKP等手段分析了PCB板在稀H2SO4和NaHSO3溶液下的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)PCB-HASL在酸性薄液膜下表面活性較高，破壞了錫表面保護性的氧化膜，使表面電位降低，產(chǎn)生了較高的腐蝕傾向，并發(fā)生進一步的腐蝕溶解。易盼 等[17]分析了鹽霧環(huán)境下鍍錫和化金的印制電路板的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)鹽霧環(huán)境下PCB-HASL腐蝕初期發(fā)生局部腐蝕，隨后出現(xiàn)類似均勻腐蝕的跡象，而PCB- ENIG腐蝕初期主要發(fā)生微孔腐蝕，發(fā)生Ni-Au電偶腐蝕加速了腐蝕的進行，最終導致基底銅箔裸露。鄒士文等[18]采用EIS分析了鹽霧對不同表面處理電路板的腐蝕行為的影響，結果顯示，Cl–會優(yōu)先侵蝕鍍錫層的薄弱區(qū)，導致局部腐蝕的發(fā)生，隨后生成的大量SnO、SnO2等腐蝕產(chǎn)物逐漸堆積在試樣表面，形成較為致密的產(chǎn)物膜層，降低腐蝕速率，減緩腐蝕的進程。白子恒等[3,19]分析了霉菌對PCB-Cu和PCB- HASL腐蝕行為的影響，研究表明電路板在霉菌環(huán)境下的腐蝕機制主要是電化學腐蝕，且霉菌的附著會使得電路板的耐蝕性變差。

系統(tǒng)分析可知，針對印制電路板腐蝕方面研究主要是在鹽霧、霉菌等單一腐蝕因素條件下開展的，而飛機實際服役情況是多種腐蝕因素協(xié)同作用，例如艦載機服役海洋環(huán)境條件主要包括鹽霧、濕熱和酸性大氣（主要來自于艦載機發(fā)動機尾氣中的SO2）等，多種腐蝕因素的協(xié)同作用更符合實際情況，其腐蝕行為和機理也不盡相同。所以，非常有必要針對PCB- HASL在實驗室條件下模擬服役海洋大氣環(huán)境開展加速腐蝕試驗研究，采用多種技術手段從腐蝕宏/微觀形貌、腐蝕產(chǎn)物成分、宏觀電化學行為、微區(qū)電化學行為和絕緣電阻等方面，深入分析電化學腐蝕機理，全面表征腐蝕行為規(guī)律，為海洋環(huán)境下航空電子設備的使用壽命預測奠定數(shù)據(jù)基礎，為電子設備海洋環(huán)境適應性設計、考核驗證和評估分析提供技術支持。

1 試驗

1.1 試樣

研究對象為熱風整平無鉛噴錫印制電路板，表面處理工藝制作流程如下：首先將印制電路板浸入熔融的焊料中，再利用熱風將電路板焊盤和通孔表面多余的焊料去掉，得到一層平整、光滑且均勻的鍍錫層。PCB-HASL的基本參數(shù)如下：基板材料為FR-4，底板厚度為1mm，銅箔厚度為30μm，表面噴錫層厚度為10μm。試驗前依次用丙酮超聲清洗10min，去離子水超聲清洗10min，再用無水乙醇擦洗，自然晾干。

1.2 加速腐蝕試驗

在海洋環(huán)境條件下，艦載機機載電子設備中的印制電路板腐蝕對濕熱、鹽霧、酸性大氣比較敏感。為了在實驗室條件下較好地模擬和再現(xiàn)服役海洋環(huán)境下PCB-HASL的腐蝕行為，基于實測的某型機服役海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，借鑒GJB 150.28—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第28部分：酸性大氣試驗》[20]，編制了適用于印制電路板的加速腐蝕試驗環(huán)境譜，如圖1所示，其能夠較好地模擬印制電路板遭受的濕熱、鹽霧、酸性大氣等海洋環(huán)境要素的聯(lián)合作用。

圖1 加速腐蝕試驗環(huán)境譜

按照如圖1所示的加速腐蝕試驗環(huán)境譜，每個試驗循環(huán)包括2個試驗模塊，一個是濕熱試驗模塊，相對濕度為95%，溫度為43℃，實驗時間80 min；另一個是酸性大氣環(huán)境試驗模塊，噴霧2 h，pH值為4.0，質量分數(shù)5%的NaCl溶液，鹽霧箱內(nèi)貯存22 h。在實驗室內(nèi)采用CHALLENGE 1200溫濕交變試驗箱和DCTC 1200P鹽霧腐蝕試驗箱開展加速腐蝕試驗，共進行9個周期的加速腐蝕試驗。每個周期腐蝕試驗結束后，隨機取出3個試樣，用去離子水清洗試樣，并用無水乙醇擦洗，晾干。

1.3 腐蝕微觀形貌和產(chǎn)物測試

采用ZEISS Ultra 55型掃描電鏡（SEM）觀察腐蝕前后試樣的表面微觀腐蝕形貌，并結合OXFORD X-Max型X射線能譜分析儀（EDS）對試樣表面腐蝕產(chǎn)物的元素成分組成和含量變化進行分析，得到腐蝕產(chǎn)物的主要成分。

1.4 宏觀腐蝕電化學行為測試

采用PARSTAT 4000電化學工作站測試不同腐蝕試驗周期PCB-HASL的宏觀電化學行為。采用導電膠帶將試樣的非工作面與銅導線連接，并用環(huán)氧樹脂密封，保留一個光滑導電的表面，試樣有效尺寸為10 mm×10 mm。在開路電位下進行測試，采用三電極體系，工作電極為PCB-HASL電路板試樣，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），Pt電極為輔助電極，試驗所用溶液為0.01mol/L、pH=4.0的NaCl溶液，頻率范圍為10?2～105Hz，振幅為10mV，為確保試驗結果的準確性和可重復性，減小試驗誤差，每個試樣的電化學阻抗均重復測量3次，隨機選取一組數(shù)據(jù)為試驗結果，并采用Zview軟件進行擬合。極化曲線測試參數(shù)設置：起始電位為–500mV（vs. OC），終止電位為500mV（vs. OC），步長為1mV，掃描速率為0.1mV/s。

1.5 微區(qū)腐蝕電化學行為測試

采用VersaSCAN掃描開爾文探針測試系統(tǒng)對腐蝕試驗后的試樣進行微區(qū)電化學分析，測試其表面Kelvin電位分布，試樣規(guī)格與1.4節(jié)相同。選用Step Scan面掃描模式，調整探針與試樣表面距離為（100±2）μm，掃描步徑為100μm，振動頻率為80Hz，振幅為30μm，掃描面積為2000μm×1500μm。

1.6 絕緣電阻測試

絕緣電阻是印制電路板最基本的絕緣指標。通過對絕緣電阻的分析有助于對印制電路板的絕緣性能做出正確的判斷，當絕緣介質受潮或存在缺陷時，絕緣電阻會呈較低值，甚至喪失絕緣性能。采用UT512絕緣電阻測試儀測試不同腐蝕周期下PCB-HASL的引腳與印制電路板基材之間的絕緣電阻，測試檔位設為“2 500 V”，連接測試儀各端口，紅、綠鱷魚夾夾穩(wěn)被測電路，反復測量3次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 宏觀腐蝕形貌

采用科士達KH-7700數(shù)字顯微鏡對PCB-HASL試樣表面宏觀腐蝕形貌進行觀察，如圖2所示。結果顯示，加速腐蝕7個周期，PCB-HASL由局部區(qū)域腐蝕逐漸發(fā)展為均勻腐蝕。腐蝕前（第0周期）試樣表面較為平整光滑，沒有明顯的腐蝕，如圖2a所示；第1周期，試樣萌生點蝕，分布較為零散，局部區(qū)域顏色較深，有少量腐蝕產(chǎn)物附著，如圖2b所示；第2～3周期，表面顏色加深，腐蝕面積不斷擴大，局部腐蝕區(qū)域逐漸擴大，連成片區(qū)，呈“斑狀”形貌，如圖2c和圖2d所示；第4周期，試樣表面有將近一半的面積被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，表面顏色進一步加深，局部腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，裸露出微小的蝕坑，如圖2e所示；第7周期，整個試樣表面已經(jīng)完全被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，形成一層較為致密的腐蝕產(chǎn)物層，具有均勻腐蝕的特征，如圖2f所示。

圖2 宏觀腐蝕形貌

2.2 微觀腐蝕形貌

采用掃描電鏡，針對不同腐蝕試驗周期的試樣腐蝕微觀形貌進行觀測，如圖3所示。結果顯示，第0周期，表面較為平整，沒有明顯的腐蝕痕跡，如圖3a所示；第1周期，局部區(qū)域萌生輕微腐蝕，表面出現(xiàn)少量的微孔，最大尺寸可達2μm左右，如圖3b所示；第2周期，腐蝕明顯加重，表面將近一半?yún)^(qū)域的鍍錫層遭受腐蝕，裸露出基體，如圖3c所示；第4周期，腐蝕面積不斷增大，腐蝕加重，腐蝕產(chǎn)物堆積在試樣表面，局部區(qū)域腐蝕產(chǎn)物發(fā)生脫落，呈現(xiàn)“分層”現(xiàn)象，如圖3d所示；第7周期，鍍錫層整個表面均發(fā)生腐蝕，幾乎全部被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，形成致密的腐蝕產(chǎn)物層，如圖3e所示。

圖3 PCB-HASL試樣微觀腐蝕形貌

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

針對圖3標示的不同腐蝕周期下不同區(qū)域的表面腐蝕產(chǎn)物進行成分分析，結果如表1所示。A區(qū)Sn和O含量較多，Cu較少，說明表面鍍錫層已經(jīng)發(fā)生了氧化，形成了致密的氧化膜，主要成分為錫和亞錫的氧化物。B區(qū)相比A區(qū)，O增多，Sn較少，Cu較多，有少量的Cl，說明B區(qū)的氧化膜遭到侵蝕，裸露出基底Cu，腐蝕較為嚴重。從微觀形貌來看，A區(qū)比較平整，B區(qū)比較粗糙，如圖3c所示，這與成分分析結果相吻合。C區(qū)為腐蝕產(chǎn)物脫落區(qū)域，相比于B區(qū)，O增多，Sn、Cu減少，說明C區(qū)的氧化產(chǎn)物更多，腐蝕更嚴重。D區(qū)和E區(qū)均為腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)域，兩者元素成分相差不大，Cu較少，Sn和O的原子數(shù)分數(shù)之比大約為1∶2.5，說明腐蝕產(chǎn)物中可能含有錫或亞錫的氧化物或氫氧化物；D區(qū)和E區(qū)相比于C區(qū)，Cu顯著減少，Cl增多，說明可能生成了銅或錫的氯化物，腐蝕產(chǎn)物層已經(jīng)把基底Cu覆蓋，如圖3e所示，有減緩腐蝕的作用。

表1 腐蝕產(chǎn)物元素成分

Tab.1 Corrosion products component　at.%

2.4 腐蝕電化學行為

采用電化學工作站測試得到不同腐蝕試驗周期下PCB-HASL試樣的極化曲線，如圖4所示。運用Cview軟件對測得的極化曲線進行數(shù)據(jù)擬合，得到自腐蝕電流密度和自腐蝕電位，結果如表2所示，自腐蝕電流密度隨腐蝕時間的變化曲線如圖5所示。根據(jù)圖5和表2可知，自腐蝕電流密度隨加速腐蝕試驗時間的增加大致呈增大—減小—小幅增大—減小的規(guī)律。第0～2周期，自腐蝕電位由–394.25 mV迅速負移至–465.26 mV，自腐蝕電流密度由1.43 μA/cm2陡增至3.97 μA/cm2，腐蝕速率增大。第2～3周期，自腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度降低，分析其原因是由于腐蝕產(chǎn)物逐漸在試樣表面堆積，有效地保護了基底材料，使得腐蝕速率降低。第3～4周期，自腐蝕電位稍微發(fā)生負移，自腐蝕電流密度由2.55 μA/cm2稍增至2.65 μA/cm2，又根據(jù)表1以及圖3d可知，局部區(qū)域Cl元素含量大幅增加，腐蝕產(chǎn)物發(fā)生脫落，分析其原因是由于Cl?的侵蝕性較強，導致PCB-HASL腐蝕加劇，局部區(qū)域腐蝕產(chǎn)物脫落，導致腐蝕速率有所升高。第4～7周期，自腐蝕電位逐漸正移，自腐蝕電流密度減小，在第7周期后達到最小，為0.55 μA/cm2，這主要是因為隨著腐蝕的進行，試樣表面腐蝕產(chǎn)物逐漸積聚，形成了致密的腐蝕產(chǎn)物層，阻擋了腐蝕介質的侵蝕、滲透以及氧氣的擴散，腐蝕速率大幅度降低。以上規(guī)律與2.2節(jié)腐蝕微觀形貌變化規(guī)律以及2.3節(jié)腐蝕產(chǎn)物分析結果相吻合。

圖4 不同腐蝕周期下的極化曲線

表2 自腐蝕電流密度和自腐蝕電位的變化規(guī)律

Tab.2 Variation rule of self-corrosion current density and self-corrosion potential

圖5 自腐蝕電流密度的變化規(guī)律

不同腐蝕試驗周期下PCB-HASL試樣的電化學阻抗譜如圖6所示。由圖6可知，Nyquist圖似乎只有1個容抗弧，但是試驗前PCB-HASL試樣表面鍍錫層已經(jīng)發(fā)生了氧化，形成一層氧化膜[17]，且經(jīng)過腐蝕試驗后PCB-HASL表面腐蝕產(chǎn)物不斷堆積，形成一層較厚的腐蝕產(chǎn)物層，因此應該具有2個時間常數(shù)，即高頻區(qū)與氧化膜或腐蝕產(chǎn)物層相關的時間常數(shù)以及低頻區(qū)與基體或溶液界面相關的時間常數(shù)，故采用圖7所示的等效電路進行擬合，其中s代表溶液電阻，c和c分別表示試樣表面氧化膜或腐蝕產(chǎn)物層的膜層電容和膜層電阻，dl和ct分別表示與傳質作用相關的雙電層電容和電荷轉移電阻。

圖6 不同腐蝕周期下的電化學阻抗譜

圖7 等效電路

表3為采用等效電路對電化學阻抗的擬合結果。采用電荷轉移電阻的倒數(shù)1/ct作為試樣腐蝕速率的評判標準[21]。圖8為1/ct隨腐蝕試驗周期的變化規(guī)律。根據(jù)表3和圖8可知，隨著腐蝕試驗周期的增加，PCB-HASL試樣的腐蝕速率總體呈增大—減小—小幅增大—減小的規(guī)律，與圖5所示自腐蝕電流密度的變化規(guī)律基本吻合。

表3 等效電路參數(shù)擬合結果

Tab.3 Fitting results equivalent circuit parameters

圖8 1/Rct的變化曲線

2.5 微區(qū)電化學行為

采用掃描Kelvin探針技術測試得到不同腐蝕試驗周期下PCB-HASL試樣表面Kelvin電位的分布情況，如圖9所示。經(jīng)分析，每個試驗周期的Kelvin電位數(shù)據(jù)均服從Gauss分布。圖10為第2周期PCB- HASL表面Kelvin電位分布直方圖。圖11為不同腐蝕試驗周期下Kelvin電位Gauss分布擬合曲線。

采用Gauss分布對Kelvin電位數(shù)據(jù)進行擬合分析，Gauss分布擬合方程見式（1）。式（1）中，為常數(shù)；0為縱坐標偏移量；是期望值，即表面伏打電位分布的均值；是標準差，表示電位分布的集中或分散程度。分布參數(shù)擬合計算結果如表4所示。

根據(jù)圖9和表4可知，未腐蝕時，Kelvin電位分布比較均勻，標準差僅為24.95，電位集中分布在–600.79 mV附近；第2周期，由于Cl–等腐蝕介質的侵蝕，增至40.29，表面仍表現(xiàn)為活性較高的冷色調，具有較高的腐蝕傾向，腐蝕速率較快；第4周期，試樣表面電位均值達到–459.98 mV，達到最大，腐蝕速率最快，可以直觀地看出試樣表面分為明顯的陰極區(qū)和陽極區(qū)[22-26]，分析其原因是局部區(qū)域腐蝕產(chǎn)物的存在使得電子逸出困難，電位大幅升高，導致Kelvin電位分布比較分散，電位差值較大，這與圖3d所示的腐蝕微觀形貌一致；第7周期，試樣表面的平均電位達到最高，為–351.58 mV，減小至27.53，電位分布較為均勻，此時由圖3e可知，試樣表面幾乎完全遭受腐蝕，被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，導致電位均值增大，分布較為均勻，腐蝕速率降低。試樣表面Kelvin電位分布的變化規(guī)律與2.4節(jié)中自腐蝕電流密度和電荷轉移電阻的倒數(shù)1/ct的變化規(guī)律相吻合。

2.6 絕緣電阻

圖12為PCB-HASL不同引腳與基材之間的絕緣電阻隨加速腐蝕試驗周期的變化規(guī)律。經(jīng)分析可知，引腳1和引腳2與基材之間的絕緣電阻在腐蝕初期（第0～1周期）兩者差別較大；隨著腐蝕程度加重，兩者差別越來越小。引腳1和引腳2與基材之間的絕緣電阻的變化規(guī)律大致可以分為3個階段，即第0～3周期為第1階段，在此階段絕緣性能衰減幅度較小，絕緣電阻值保持較高水平，第3周期時絕緣電阻為66.3～67.75 GΩ，絕緣性能較好；第3～6周期為第2階段，在此階段絕緣性能快速衰減，第6周期時絕緣電阻僅為7.5 GΩ左右，相比未腐蝕狀態(tài)大約降低了2個數(shù)量級，絕緣性能基本達到失效臨界狀態(tài)[27]；第6～9周期為第3階段，在此階段絕緣電阻的變化幅度很小，保持失效狀態(tài)。

圖9 不同腐蝕周期下試樣的Kelvin電位分布規(guī)律

圖10 Kelvin電位直方圖（第2周期）

圖11 Kelvin電位Gauss分布擬合曲線

表4 Kelvin電位高斯分布參數(shù)

Tab.4 Gauss parameter of Kelvin potential　mV

圖12 不同引腳與基材間的絕緣電阻

2.7 腐蝕機理

圖13為PCB-HASL表面鍍錫層腐蝕機理示意圖。腐蝕初期，Cl?對PCB-HASL試樣的侵蝕和吸附性較強，優(yōu)先吸附并侵蝕破壞鍍錫層氧化膜的薄弱處，局部區(qū)域誘發(fā)腐蝕，如圖13a—b所示。隨著加速腐蝕試驗的進行，局部腐蝕區(qū)域附近受Cl?的侵蝕作用，發(fā)生溶解和破壞，腐蝕速率不斷增加，不斷生成腐蝕產(chǎn)物，并逐漸在試樣表面堆積。腐蝕后期，PCB-HASL試樣表面的鍍錫層幾乎全部被腐蝕，產(chǎn)生類似于均勻腐蝕的特征，鍍錫層表面形成一層厚且致密的腐蝕產(chǎn)物層，如圖13d所示。此時，根據(jù)電化學阻抗譜擬合數(shù)據(jù)可知，后期阻抗逐漸增大，能夠很大程度阻擋Cl?等腐蝕性介質滲透侵蝕鍍錫層，腐蝕速率大大降低，腐蝕仍然繼續(xù)，直至印制電路板性能失效。

圖13 海洋環(huán)境下PCB-HASL腐蝕機理示意圖

3 結論

1）在加速腐蝕試驗條件下，PCB-HASL先在氧化膜薄弱部位誘發(fā)腐蝕，然后轉變?yōu)榫鶆蚋g，腐蝕速率隨加速試驗周期的增加大致呈增大—減小—小幅增大—減小的變化規(guī)律。

2）第0～2周期，自腐蝕電流密度由1.43 μA/cm2陡增至3.97 μA/cm2，腐蝕速率快速增大，主要發(fā)生局部腐蝕；第2～3周期，自腐蝕電流密度降低，腐蝕速率降低；第3～4周期，自腐蝕電流密度稍微增大，腐蝕速率稍微增加，腐蝕產(chǎn)物局部脫落；第4～7周期，自腐蝕電流密度減小，在第7周期達到最小，為 0.55 μA/cm2，相比第2周期降低了86%，呈明顯的均勻腐蝕特征，說明腐蝕產(chǎn)物的存在對基體具有一定的保護作用，可以有效減緩腐蝕進程。

3）電化學阻抗譜擬合參數(shù)中的電荷轉移電阻的倒數(shù)（1/ct）隨加速腐蝕試驗周期的變化規(guī)律與自腐蝕電流密度的變化規(guī)律相吻合。

4）隨著腐蝕時間的延長，表面Kelvin電位均值不斷正移，電位標準差經(jīng)歷減小—增大—減小的變化趨勢。其中，第0、2和7周期，電位分布較為集中，較??；第4周期，電位分布較為分散，較大。

5）引腳與基材之間的絕緣電阻隨加速腐蝕周期的增加而不斷下降，相比于未腐蝕狀態(tài)，第6周期的絕緣電阻大約降低了2個數(shù)量級，絕緣性能基本失效。

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Corrosion Behavior and Mechanism of PCB-HASL in Simulated Marine Atmospheric Environment

1,1,2,1,1

(1. Military Representative Office of the Ministry of Naval Equipment in Beijing, Beijing 100074, China; 2. Qingdao Branch of Naval Aeronautical University, Shandong Qingdao 266041, China)

Based on the marine environment of Shipborne aircraft in service, the accelerated corrosion test was carried out for hot air leveling lead-free tin sprayed printed circuit board (PCB-HASL), which revealed the corrosion mechanism and characterized the macro/micro corrosion electrochemical behavior. According to the measured marine atmospheric environment data, based on the prepared accelerated corrosion test environment spectrum, the accelerated corrosion test was carried out for PCB-HASL. The polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy of samples with different corrosion cycles were measured by electrochemical workstation, and the corrosion electrochemical mechanism and macro electrochemical characteristics were characterized; Scanning Kelvin probe technique was used to measure the distribution characteristics of Kelvin potential on the surface of samples with different corrosion cycles, and the micro area electrochemistry characteristics were characterized. During the 6thcycle of corrosion, the insulation resistance of PCB-HASL decreases greatly and reaches the critical state of failure; In cycle 0th-2nd, the self corrosion current density increased from 1.43 μA/cm2increased sharply to 3.97 μA/cm2, the corrosion rate increases rapidly and corrosion is induced in local areas; In the 2nd-3rdcycle, the self corrosion current density decreases and the corrosion rate decreases; In the 3rd-4thcycle, the self corrosion current density increased slightly, the corrosion rate increased slightly, and the corrosion products fell off locally; In the 4th-7thcycle, the self corrosion current density decreases and reaches the minimum in the 7thcycle, which is 0.55 μA/cm2, decreased by 86% compared with the second cycle, showing obvious uniform corrosion characteristics. The variation law of Kelvin potential distribution and reciprocal of charge transfer resistance (1/ct) with the accelerated corrosion test cycle is consistent with the variation law of self corrosion current density. The corrosion rate of PCB-HASL roughly increases-decreases-slightly increases-decreases with the accelerated test cycle, and gradually changes from local corrosion in the initial stage to uniform corrosion in the later stage. A relatively dense corrosion product layer is formed on the surface, which greatly reduces the corrosion rate.

marine environment; PCB-HASL; micro area electrochemistry; scanning Kelvin probe technique; electrochemical impedance spectroscopy; corrosion behavior and mechanism

TG174.4；TB37

A

1001-3660(2022)05-0245-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.05.025

2021–08–20；

2021–12–20

2021-08-20；

2021-12-20

戰(zhàn)貴盼（1995—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為飛機電子設備腐蝕與防護控制。

ZHAN Gui-pan (1995-), Male, Master, Assistant engineer, Research focus: corrosion and protection control of aircraft electronic equipment.

戰(zhàn)貴盼, 韓永恒, 譚曉明, 等. 模擬海洋大氣環(huán)境下PCB-HASL的腐蝕行為與機理[J]. 表面技術, 2022, 51(5): 245-253.

ZHAN Gui-pan, HAN Yong-heng, TAN Xiao-ming, et al. Corrosion Behavior and Mechanism of PCB-HASL in Simulated Marine Atmospheric Environment[J]. Surface Technology, 2022, 51(5): 245-253.

責任編輯：萬長清