非稳态薄液膜下PCB微纳米尺度环境损伤机制

Environmental damage of highly integrated printed circuit board (PCB) in complex environment is caused by breeding and peristalsis of micro- nano corrosion products of . Due to the influence of size effect and environmental factors, the corrosion is a electrochemical process under unsteady-state thin electrolyte film.Therefore, the key issues and problems to clarify the mechanism of environmental damage of PCB is to study the breeding and peristalsis of micro- nano corrosion products of under unsteady-state thin electrolyte film. In this project, in-situ micro analysis measurement is used to characterize the structural feature and evolution of corrosion products, which helps to prove the relationship between the distribution of thin electrolyte film and breeding and peristalsis of corrosion product, thus the influence of uneven structure and chemical behavior in the peristalsis process of corrosion on the environmental damage can be revealed. Micro-electrochemical technology is used to discover influence of dynamic thin electrolyte film on metal ions mass transfer process of corrosion products and electrode reaction; and to investigate the influence of environmental factors such as trace gas, electric and magnetic fields on the breeding and peristalsis of corrosion products, so as to study the environmental damage mechanism of micro- nano scale under variety of factors synergy.The electrode process simulation and cellular automata numerical analysis are used to establish the behavior law and the mechanism mode of breeding and peristalsis of corrosion products under unsteady-state thin electrolyte film.

高度集成化的印刷电路板（PCB）在复杂环境因素作用下的环境损伤是由于微纳米尺度的腐蚀产物萌生、蠕动导致的，尺寸效应和环境因素使得其腐蚀是在非稳态薄液膜下的电化学过程。因此，非稳态薄液膜下微纳米尺度腐蚀产物的萌生、蠕动成为阐明PCB环境损伤机理的关键问题和研究难点。本项目利用微观原位分析手段表征腐蚀产物的结构特征和演变规律，探明薄液膜形态分布和变化与腐蚀产物萌生、蠕动的内在联系，揭示腐蚀产物蠕动历程中微纳米尺度的结构和化学不均匀对环境损伤影响；采用微区电化学新技术,明确动态薄液膜对腐蚀产物金属离子传质过程和电极反应的影响规律；考察微量气体、电场、磁场等环境因素对腐蚀产物萌生、蠕动的影响，明晰多种因素协同作用下微纳米尺度环境损伤机制；采用电极过程模拟和元胞自动机等数值分析方法，建立非稳态薄液膜下金属腐蚀产物萌生、蠕动行为规律及环境作用机理模型。

PCBs一般在半封闭的大气环境工作，不可避免受到外界大气湿度、污染气体、尘土等环境因素影响，并且在运行过程中还会承受温度场、电场、磁场等多种因素协同作用，因此PCBs腐蚀失效本质为多作用场下的大气腐蚀过程，即薄液膜腐蚀。本研究通过自主设计的环境试验箱研究了计算机主板在微量污染气体下腐蚀失效机制；采用薄液膜装置阐述了PCBs在含氯薄液环境中的原位电化学机制。同时也研究了PCBs在单独电场作用以及电场与污染物相耦合作用下的电化学迁移失效过程。最后通过典型大气环境下的外场暴露试验研究了PCBs在多种污染因素或与偏电压耦合作用下的腐蚀失效机制。研究结果表明在微量H2S气氛下，锡铅焊点发生严重电化学腐蚀，通孔内壁形成了明显晶须，晶须生长速率为1.2 Å/s。在含氯薄液环境下，PCBs的阴极极化电流密度随着湿度的增加而变大，但均小于溶液中阴极极化电流密度。薄液膜环境下，阴极极化过程包括O2，腐蚀产物以及H2O 的还原过程。PCB-ENIG和PCB-HASL对湿度具有更高的敏感性，在电子材料防护过程中对湿度要求更加苛刻。在偏电压作用下，镀金处理能够显著降低薄液膜下腐蚀程度；浸银处理在低电压时能够表现出一定耐腐蚀性，但高电压下不明显。喷锡处理能够较好的保护PCB基体不被腐蚀，但Sn的腐蚀产物一旦凝结在电路板上会导致PCB短路。在偏电压与SO2耦合作用下，PCB-Cu和PCB-ENIG两极板间均发现了铜枝晶和硫酸盐沉积物的存在；不同湿度条件下，PCB-ImAg上并未发现银枝晶的生长，而PCB-HASL两极板间则同时存在铜枝晶以及硫酸盐、金属氧化物等沉积物。外场暴露试验发现PCB-Cu初期腐蚀形式为局部腐蚀，随时间推移，吐鲁番、北京、青岛和武汉地区试样转变为全面腐蚀，在尘土颗粒和污染介质协同作用下腐蚀进一步加剧；西双版纳腐蚀最为轻微，存在微生物腐蚀；PCB-ImAg和PCB-ENIG试样腐蚀形式主要为微孔腐蚀；干燥大气环境下PCB-HASL腐蚀轻微，但污染介质能够侵蚀PCB-HASL表面致密氧化膜。污染介质和高湿度协同作用是PCB材料电化学迁移腐蚀的关键因素。