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第 21 卷 第 3 期 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 145 收稿日期：2023-11-25；修订日期：2024-01-27 Received：2023-11-25；Revised：2024-01-27 引文格式：钟文安,王洪伦,张东玖,等.湿热盐雾大气环境印制电路板防护棚下试验研究J.装备环境工程,2024,21(3):145-153.ZHONG Wenan,WANG Honglun,ZHANG Dongjiu,et al.Experimental Study on PCB Protection in Damp and Hot Salt Fog Atmospheric En-vironmentJ.Equipment Environmental Engineering,2024,21(3):145-153.湿热盐雾大气环境印制电路板 防护棚下试验研究 钟文安，王洪伦，张东玖，陈少将，杨德刚，蔡辉（西昌卫星发射中心 航天发射场可靠性技术重点实验室，海口 571126）摘要：目的目的 试验研究不同防护工艺的印制电路板在湿热盐雾大气环境下的适应性。方法方法 结合无防护试件，在严苛的濒海棚下环境开展 4 种印制电路板防护工艺的暴露试验，通过观察电路板外观，测量计算绝缘电阻、介质耐压、品质因数，以及扫描电镜、能谱分析等技术手段评价印制电路板防护工艺的性能。结果结果 濒海棚下环境中，无防护印制电路板腐蚀严重，电气性能显著下降。改性硅、有机硅三防漆防护的印制电路板在整个试验周期内腐蚀程度轻微，电气性能较好，表面涂层仅存在轻微起泡现象。丙烯酸三防漆防护印制电路板防护性能不稳定，印制电路板出现腐蚀现象，品质因数总体低于改性硅、有机硅三防漆防护。聚氨酯三防漆防护印制电路板在电气测试性能中表现良好，但涂层出现太多破损、起泡等缺陷，铜导线出现异常生锈现象。在介质耐压测试中，多周期呈现击穿状态。结论结论 在濒海区域棚下湿热盐雾环境中，涂覆有机硅、改性硅三防漆的印制电路板防护状态最好，可优先选择作为防护手段。关键词：湿热盐雾；棚下环境；印制电路板；三防漆；涂敷防护；环境适应性 中图分类号：TG178；TN41 文献标志码：A 文章编号：1672-9242(2024)03-0145-09 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2024.03.019 Experimental Study on PCB Protection in Damp and Hot Salt Fog Atmospheric Environment ZHONG Wenan,WANG Honglun,ZHANG Dongjiu,CHEN Shaojiang,YANG Degang,CAI Hui(Key Laboratory of Space Launching Site Reliability Technology,XSLC,Haikou 571126,China)ABSTRACT:The work aims to study the environmental adaptability of PCB with different protection processes in a damp and hot salt fog atmospheric environment.Combined with unprotected specimens,the exposure test of PCB with four kinds of pro-tection technology was carried out in shed environment near the sea.The performance of the protection technology of PCB was evaluated by the appearance,insulation resistance,dielectric voltage resistance,quality factor,scanning electron microscopy,energy spectrum analysis and other technical means.In the shed environment near the sea,the PCB without protective treatment was seriously corroded,and its electrical performance was also significantly reduced.The modified silicone and organosilicon PCB had mild corrosion and good electrical properties during the whole test period.The PCB protective performance of acrylic three-proofing paint protection was unstable,and the PCB was corroded.The quality factor of acrylic three-proofing paint was lower than that of modified silicon and organic silicon three-proofing paint.The electrical test performance of the PCB protected 146 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 by polyurethane three-proofing paint was good,but the coating had too much damage,foaming and other defects,the copper wire had abnormal rust phenomenon,and the dielectric voltage test had a breakdown state in multiple cycles.For the PCB in the damp and hot salt fog environment in the shed environment near the sea,it is recommended that silicone and modified silicon be coated with three-proofing paint as protection means.KEY WORDS:damp and hot salt fog;shed environment;PCB;three-proofing paint;coating protection;environmental adaptability 高温、高湿、高盐雾的濒海环境下，大气腐蚀性很强，给电子电气设备的“三防”工作带来了很多挑战1-3。印制电路板是电子设备的重要组成部分，几乎所有的电子设备，小到遥控玩具，大到计算机、通讯设备、工业控制设备、航天设备等，只要有集成电路等电子元器件，就要使用印制电路板，以达到对元器件的安装和电气互联的作用（多用“PCB”来表示），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，从而影响设备使用或引发安全问题4-8。潮湿、盐雾、霉菌是海洋环境电子电气设备印制电路板失效的重要影响因素，潮湿影响主要体现在物理、机械和电气 3 个方面的侵蚀作用：盐雾导致的电化学反应能迅速腐蚀金属器件，霉菌直接侵蚀的对象是非金属材料，而间接侵蚀对象是包含金属在内的所有材料9-11。随着印制电路板向微电子化、高集成化和高密度装配方向发展，以及电子线路的高阻抗和放大特性，对印制电路板的环境适应性和可靠性提出了更高的要求12-14。目前电路板主要采用敷形涂覆技术进行防护，将“三防”漆涂敷在印制电路板上，能提高印制电路板在贮存和工作期间的三防能力。它能防止由于气温骤然变化产生“凝露”，使印制导线间漏电、短路甚至击穿。对于工作在高电压及低气压条件下的印制板，可改善其导线间的电晕、飞弧，提高工作可靠性。对于在沿海使用，处于非密封腔体内易被盐雾侵蚀和温度骤然变化产生“凝露”的情况下，“三防”漆的喷涂尤为重要。三防漆类型包括丙烯酸树脂类（AR）、改性环氧树脂类（ER）、有机硅树脂类（SR）、聚氨脂树脂类（UR）、对二甲苯（XY）以及纳米涂料等15-17。易盼等18通过盐雾试验研究了盐雾对喷锡和化金印制电路板腐蚀行为的影响。蒋海峰等19通过加速试验对紫外光固化三防漆进行了研究。刘琦等20研究了缓蚀剂对热带海洋大气环境下印制电路板的防护性能。Yi 等21开展了在吸附薄电解质层下PCB-ENIG 大气腐蚀行为的原位研究。但是，关于三防漆防护工艺在海洋气候现场棚环境下的适应性研究22-23还比较少。本文甄选了 4 种三防漆防护工艺，结合无防护状态的印制电路板，开展海洋气候下的棚下环境试验。采用形貌观察和光泽度、绝缘电阻、介质耐压、品质因数测试，以及扫描电镜、能谱分析等方法综合评价印制电路板防护工艺的防护性能24-25。1 试验 1.1 试样制备 参考 IPC-CC-830B 印制线路组件用电气绝缘化学物的鉴定及性能 所规定的标准测试载体制作印制电路板试件，如图 1 所示。印制电路板试件基板为环氧玻璃布（FR-4），选用改性硅三防漆（DCALV）、有机硅三防漆（DC1-2577）、丙烯酸三防漆（TFABF）、聚氨酯三防漆（URC）等 4 种涂料进行涂覆，涂覆时 图 1 印刷电路板试件图样及制备 Fig.1 Sample drawing and preparation of PCB 第 21 卷 第 3 期 钟文安，等：湿热盐雾大气环境印制电路板防护棚下试验研究 147 按照施工工艺在印制电路板表面进行喷涂施工。喷涂前，确保试件表面干净，采用喷枪对试件进行均匀喷涂，漆膜干燥后厚度约 50 m。1.2 试验周期 结合无防护状态的印制电路板，在海南东部濒海地区棚下环境开展 4 种防护工艺的试验。试验周期分别是 3、6、9、12 个月，每周期平行样试件 3 个，投放前做好标识。1.3 评价方法 印制电路板试验后的检测项目包括外观评级和绝缘电阻、介质耐压、品质因数（介电损耗因数的倒数）等测试，以及微观观察、能谱分析等，见表 1。通过检测数据综合评价印制电路板各种防护工艺在湿热盐雾环境的防护性能26-27。表 1 三防漆试件检测项目 Tab.1 Test items of three-proofing paint samples 序号 项目 检测仪器 型号 说明 目视 放大镜 PEAK NO.1961 1 外观评级 相机 SX740HS 开裂、脱落、玷污、生锈、起泡等外观综合评级 2 绝缘电阻 绝缘电阻测试仪 UT511 测量涂层材料的绝缘电阻 3 导通电阻 微欧计 UT620C 测量电路板的导通电阻 4 介质电压 耐压测试器 Zentech 9072A 测量涂层的耐电压性能 5 品质因数 介质损耗测试仪 FS3001 测量介电损耗因数 6 微观观察 扫描电镜 JSM-6510 观察印制电路板表面微观形貌 7 能谱分析 扫描电镜 JSM-6510 测量印制电路板表面成分组成 2 结果与讨论 2.1 宏观形貌 无防护以及改性硅三防漆、有机硅三防漆、丙烯酸三防漆、聚氨酯三防漆防护的印制电路板初始状态和 3、6、9、12 个月试验后的宏观形貌如图 2 所示。可以看出，随着试验时间的增加，无防护状态印制电路板上，Cu 电路逐渐由浅紫红色向深紫色转变，并伴随有黑色腐蚀产物生成；改性硅、有机硅三防漆防护印制电路板电路板表面无肉眼可见的腐蚀产物生成，腐蚀程度较轻，金属 Cu 颜色仍呈现紫红色，无明显涂层破损；丙烯酸三防漆防护印制电路板大部分金属 Cu 颜色仍呈现紫红色，随着试验时间的增加，印制电路板颜色逐渐变深，但总体来说颜色变化不大，电路板表面无明显腐蚀产物生成；聚氨酯三防漆防护的印制电路板腐蚀程度逐渐加深，金属完整性逐渐被破坏，肉眼可见腐蚀产物的生成。总体来说，采用三防漆防护的印制电路板无腐蚀或腐蚀很少，而无防护状态印制电路板腐蚀严重，腐蚀产物逐渐变成黑色，说明 Cu 逐渐被氧化成 CuO，随时间推移氧化产物越来越多。2.2 局部形貌 无防护以及 4 种三防漆防护的印制电路板在棚下环境试验各个周期后，局部形貌有很大不同，如图3 所示。无防护电路板试验 3 个月时，Cu 表面明显凹凸不平；6 个月时，Cu 腐蚀程度加重，表面几乎被赤色腐蚀产物覆盖，并伴随有腐蚀产物脱落；9 个月时，赤色腐蚀产物大量脱落，Cu 表面生成大面积黑褐色腐蚀产物；12 个月后，电路板 Cu 表面完全被腐蚀产物覆盖，且腐蚀产物在表面呈较大的椭圆形，Cu 完全失去金属光泽。4 种三防漆防护的电路板试验期间，Cu 表面几乎没有腐蚀或腐蚀很少，但是涂层出现了不同程度的破损，其中聚氨酯三防漆破损最为严重。随着试验时间的增加，涂层防护的印制电路板表面光泽逐渐降低，表明涂层光泽度逐渐下降；印制电路板Cu 表面逐渐出现黑色点蚀，随着试验时间延长，数量逐渐增加，面积逐渐增大，表明涂层防护的 Cu 导线在恶劣的棚下环境中也会腐蚀。2.3 微观形貌及腐蚀产物 无防护状态以及 4 种三防漆防护的印制电路板在棚下环境试验 12 个月后的微观形貌及腐蚀产物情况如图 4 所示。可以看出，无防护试件的 Cu 导线测试点已发生腐蚀。能谱分析表明，此处除了 Cu 和 Cu的氧化物外，还有 Cl 元素以及少量 Mg、Al 和 Si 元素存在，Cl 元素来自于濒海气候环境中的海盐粒子，Mg、Al 和 Si 元素可能来自在棚下环境印制电路板表面积累的灰尘等污染物质。三防漆防护的试件电路板表面覆盖有一层片状异物，表面较为平整，局部区域存在尺寸较小的异物。EDS 结果显示，改性硅三防漆、有机硅三防漆、丙烯酸三防漆涂层防护无 Cu 元素的存在，表明该处涂层完好，不存在破损；而聚氨酯三防漆涂层防护有 Cu 元素的存在，表明该处涂层存在148 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 破损，Cu 导线发生腐蚀。三防漆防护的试件电路板EDS 结果显示，除常见的 C、O 外，还有 Cl、Ca、Na、Si、S、Al 等元素，推测来自于棚下环境中海盐粒子、灰尘等污染物。图 2 印制电路板试件各周期宏观形貌 Fig.2 Macroscopical morphology of PCB samples in each cycle:a)no protection;b)modified silicone three-proofing paint protection;c)organic silicon three-proofing paint protection;d)acrylic three-proofing paint protection;e)polyurethane three-proofing paint protection 第 21 卷 第 3 期 钟文安，等：湿热盐雾大气环境印制电路板防护棚下试验研究 149 图 3 印制电路板试件各周期局部形貌 Fig.3 Local morphology of PCB samples in each cycle:a)no protection;b)modified silicone three-proofing paint protection;c)organic silicon three-proofing paint protection;d)acrylic three-proofing paint protection;e)polyurethane three-proofing paint protection 2.4 外观评级 棚下环境试验 12 个月后，印制电路板三防漆防护试件漆膜外观的评级见表 2。可以看出，印制电路板漆膜的主要失效模式为起泡和生锈，改性硅三防漆、有机硅三防漆的综合评级分别为 2 级和 1 级，丙烯酸三防漆、聚氨酯三防漆的综合评级为 3 级。棚下环境各周期试验后，印制电路板表面涂层光泽度变化如图 5 所示。可以看出，随着试验时间的增加，光泽度总体呈下降的趋势。试验表明，棚下环境丙烯酸三防漆、聚氨酯三防漆漆膜的耐老化性能较差，有机硅三防漆漆膜最好，聚氨酯三防漆漆膜光泽度下降最大，下降率在 40%以上。2.5 绝缘电阻与导通电阻 经测试，随腐蚀周期增大，无防护印制电路板及有机硅三防漆、改性硅三防漆、丙烯酸三防漆、聚氨酯三防漆防护印制电路板绝缘电阻的波动程度较小，均10 G，表明绝缘性能良好。不同试验周期下，印制电路板导通电阻的变化如图 6 所示。从整体上看，随试验周期增大，有机硅三防漆（2577）、改性硅三防漆（DCALV）、聚氨酯三防漆（URC）、丙烯 150 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 图 4 试验 12 个月后印制电路板试件微观形貌及能谱分析 Fig.4 Micro-morphology and energy spectrum analysis of PCB samples after 12 months of experiment:a)no protection;b)modified silicone three-proofing paint protection;c)organic silicon three-proofing paint protection;d)acrylic three-proofing paint protection;e)polyurethane three-proofing paint protection 第 21 卷 第 3 期 钟文安，等：湿热盐雾大气环境印制电路板防护棚下试验研究 151 表 2 棚下环境不同防护印制电路板外观评级 Tab.2 Rating of appearance of different PCB in shed environment 单项等级 防护类型 变色 粉化 开裂 起泡 生锈 剥落 长霉 综合评级 改性硅三防漆 1 0 S0 2 1 S0 0 2 有机硅三防漆 1 0 S0 1 1 S0 0 1 丙烯酸三防漆 1 0 S0 2 2 S0 0 3 聚氨酯三防漆 1 0 S0 4 2 S0 0 3 图 5 棚下环境三防漆各周期光泽度的变化趋势 Fig.5 Change trend of gloss of three-proof paint in different periods in shed environment 图 6 棚下环境各试件不同周期导通电阻的变化 Fig.6 Change diagram of on-resistance of each sample in different period in shed environment 酸三防漆（TFABF）防护的印制电路板的导通电阻也逐渐增大，并且相差不大，但仍小于无防护的印制电路板。表明施加的涂层有一定的保护作用，试验期间未对导通电阻有较大影响。无防护处理的印制电路板在试验进行 1 周期后，导通电阻变得超过量程，推测是因为棚下环境恶劣，无涂层保护的电路板很快因为Cu 导线的腐蚀而失效。2.6 介质耐压 棚下环境不同周期印制电路板的介质耐压测试情况见表 3。可以看出，丙烯酸三防漆、有机硅三防漆、改性硅三防漆防护的印制电路板试验前后介质耐电压性能未发生变化，表明这 3 种漆的防腐性能较好，在整个试验周期内均能使电路板的电气性能保持稳定。聚氨酯三防漆防护的印制电路板多周期测试结果为“击穿”，表明该种防护在岛礁气候棚下环境服役易被破坏。无防护处理的电路板介质耐电压值试验前和 1 周期为“击穿”，2、3、4 周期为“通过”。主要因为棚下环境中，无防护电路板表面 Cu 导线受高温高湿及高盐雾影响，快速形成腐蚀产物膜，腐蚀产物膜导电性差，能耐受更高的电压，所以在介质耐压检测中显示出“通过”的结果。表 3 棚下试验不同周期各试件介质耐压 Tab.3 Pressure resistance of each sample in different period in shed environment 试验周期 防护类型 试验前1 2 3 4 无防护 击穿 击穿 通过 通过通过改性硅三防漆通过 通过 通过 通过通过有机硅三防漆通过 通过 通过 通过通过丙烯酸三防漆通过 通过 通过 通过通过聚氨酯三防漆通过 击穿 击穿 击穿击穿 2.7 品质因素 品质因素是绝缘材料介电损耗因数的倒数，介电损耗越小，介质的绝缘性能越好。棚下环境不同周期印制电路板防护层品质因素的变化如图 7 所示。可以看出，棚下试验中，涂覆防护的 4 种印制电路板试样各周期的品质因数值总体上呈现下降的趋势。推测其主要原因是，印制电路板涂覆的三防漆随时间的推移出现了起泡、破损等劣化特征。图 7 棚下环境各试件不同周期品质因数变化 Fig.7 Change of quality factor of each sample in different period in shed environment 152 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 3 结论 通过对印制电路板三防防护后在濒海棚下环境的腐蚀行为、腐蚀机理及防护性能研究，可得到以下主要结论。1）无防护处理印制电路板在恶劣的棚下环境腐蚀严重，很快出现了明显的腐蚀痕迹与腐蚀产物，电气性能也显著下降。2）改性硅三防漆、有机硅三防漆防护的印制电路板，在整个试验周期内，腐蚀程度轻微，电气性能随腐蚀时间的增加产生一定波动，但仍在正常范围内，电路板表面涂层也仅发生轻微老化。3）在棚下环境试验过程中，丙烯酸三防漆防护的印制电路板防护性能不稳定，导致印制电路板出现腐蚀现象，品质因数总体低于改性硅三防漆、有机硅三防漆防护电路板，表明该种涂层在棚下环境中的防护力度不够。4）聚氨酯三防漆防护的印制电路板虽然电气测试性能表现良好，但在试验过程中涂层出现太多破损、起泡等缺陷，铜导线出现异常生锈现象，介质耐压测试多周期呈现击穿状态。由此可知，濒海或岛礁区域高温、高湿、高盐雾恶劣腐蚀环境中的印制电路板，可优先选择涂覆有机硅三防漆、改性硅三防漆作为防护手段。参考文献：1 电子科学研究院.电子设备三防技术手册M.北京：兵器工业出版社,2000.Institute of Electronic Sciences.Technical Manual for Electronic EquipmentM.Beijing:Ordnance Industry Press,2000.2 王洪伦,张东玖,王俊,等.湿热盐雾大气环境典型局部环境监测与防腐对策J.装备环境工程,2021,18(2):95-102.WANG H L,ZHANG D J,WANG J,et al.Typical Local Environmental Monitoring and Anti-Corrosion Counter-measures in Damp and Hot Salt Spray Atmospheric En-vironmentJ.Equipment Environmental Engineering,2021,18(2):95-102.3 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