印刷电路板在薄液膜下霉菌和电化学交互作用机理

The atmospheric environment in tropical oceans and rainforests are extremely severe for the services of electronic equipment, especially for printed circuit boards (PCB) which contain a high density of miniaturized structures. The attachment of mold and other microbes can seriously damage the physical and electrical properties of PCB. The synergistic effects of environment, electromagnetic, chemical and biological factors can significantly reduce the reliability of PCB and cause huge economic losses. In atmospheric environment, the biological activity and the corrosion phenomena under the thin electrolyte films form an interacting and complex process, which is the key to the failure mechanism of PCB corrosion. By studying the interactions between mold and PCB in severe atmospheric environment, this project aims to establish a micro/nano-scaled in situ analytical method for mold corrosion and to understand the biological and chemical effects of typical molds on localized corrosion of PCB. The project will also explore the corrosion mechanisms of PCB by a single or multiple strains, clarify the localized electrochemical behaviors of mold corrosion, and establish the mechanistic models of PCB corrosion under coupling effects from the environment, the electric field and the magnetic field. The results from this study will further enrich the theories of material corrosion in atmospheric environment, thereby providing a theoretical basis for the design and selection of PCB materials and protection technologies in severe atmospheric environment.

电子设备服役的热带海洋和热带雨林大气环境更加严酷，微型化和高集成的印刷电路板（PCB）环境敏感性增加，霉菌的附着将严重影响其物理性能和电气性能，特别是环境、电磁、化学、生物等多种因素协同作用的影响，降低其可靠性，甚至造成巨大经济损失。因此，PCB在大气环境中霉菌的生命活动特征和薄液膜电化学行为的相互作用机理研究，成为PCB环境损伤机理研究的重要科学问题。本项目通过开展严酷大气环境中PCB表面霉菌群落的生长代谢生命活动与金属材料相互作用机理研究，建立微纳米尺度霉菌腐蚀原位分析方法，阐明典型霉菌的生物和化学特征对PCB局部腐蚀的作用机理；探寻PCB在单一、多菌种霉菌作用下的腐蚀机制，明确薄液膜下霉菌腐蚀的微区电化学反应机理；建立环境、电场、磁场多场耦合作用下PCB霉菌腐蚀机理模型。研究成果将丰富大气环境材料霉菌腐蚀理论体系，从而为严酷大气环境中PCB设计选材和防护技术提供理论依据。

本项目选取不同金属镀层的PCB板（PCB-Cu、PCB-ImAg、PCB-HASL和PCB-ENIG）置于模拟电气柜装置内，放置于热带雨林气候的西双版纳大气环境中，并对PCB表面附着的野生菌株进行分离纯化，并结合平板沉淀方法对海洋大气环境中的菌株进行分离纯化，在实验室内评价不同菌株对PCB的腐蚀倾向性。在热带雨林环境中，霉菌孢子可以在PCB表面附着并繁殖大量菌丝，加速PCB表面的腐蚀和破坏。选取了西双版纳野生芽孢杆菌 Bacillus spp.，研究了细菌微生物膜对PCB腐蚀行为的影响及机理，细菌的代谢产物和微生物膜的氧浓差电池作用，协同加速了PCB的腐蚀。从海洋大气环境中，筛选了对Cu具有腐蚀倾向的霉菌菌株Aspergillus versicolor，研究了霉菌在含Cl-薄液膜环境下对Cu的腐蚀行为的影响及机理，霉菌孢子附着于材料表面之后，会生长出菌丝，其分泌物中含有酸性物质，与薄液膜当中的金属离子形成羧酸产物，促进了菌丝附着区域的金属腐蚀。利用电磁场耦合装置，研究了静磁场以及电磁场耦合状态下霉菌对PCB腐蚀行为的影响及机理，包括静磁场环境中PCB的霉菌腐蚀机理，以及电磁场和霉菌耦合作用下的电化学迁移行为及腐蚀机理，当对PCB施加10 mT的磁场时，霉菌在材料表面的生命活动会受到明显的抑制，从而降低了PCB的霉菌腐蚀程度。当10 mT磁场与12 V偏压共同施加于接种过霉菌孢子的PCB时，孢子和菌丝聚集在阳极板上，通过对Cu的腐蚀，加速了金属的电离，最终使腐蚀产物更容易地迁移到阴极板上，霉菌的存在加速了PCB在电磁场环境中的电化学迁移。本项目已建立了PCB表面附着菌株的采集方法，建立了筛选评价菌株腐蚀倾向的方法、研究了霉菌在大气薄液膜环境、细菌在微生物膜环境下，PCB的微生物腐蚀行为及机理、研究了电磁场耦合条件下PCB的霉菌腐蚀行为及腐蚀机理。本项目研究结果可为电子行业的选材、环境损伤评估、电子材料的防护及避免电子系统崩溃提供相关方法和理论指导。