遥控器印制线路板腐蚀失效原因

2020-12-25胡利芬王珊珊

理化检验(物理分册) 2020年12期

胡利芬, 王珊珊

(1.广汽集团汽车工程研究院, 广州 510640； 2.威凯检测技术有限公司, 广州 510300)

通常，电子组件是将电子元器件焊接在印制电路板(PCB)上，PCB不仅是电子元器件的支撑体，而且是电子元器件线路连接的提供者，其中任何一部分出现问题都将导致电子组件失效，并最终影响整机的质量和可靠性[1]。目前，大量新型器件使用高密度PCB，因其制造上的复杂性、材料上的多样性和生产上的经济性等因素，PCB出现的失效现象呈上升趋势[2-3]。某家用遥控器在使用6个月时发现接触不良的现象，检查发现PCB发生腐蚀，腐蚀集中在A，B两区域，见图1。其中，A区域有褐色生成物，B区域焊接合金处有析出物。笔者通过一系列检验和分析，找出了PCB腐蚀失效的原因，并提出了改进建议。

图1 失效PCB宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the failed PCB

1 理化检验

1.1 PCB的A区分析

1.1.1 宏观分析

在完好PCB的A区切取大小为50 mm×50 mm×4 mm的试样，用光学显微镜对其截面进行观察，如图2所示。可见该试样表面镀层不连续，厚度不均匀，只在少数部位可见薄薄的镀层，局部甚至未镀上镀层，露出了底部基材。

图2 完好PCB的A区截面形貌Fig.2 Section morphology of area A of intact PCB

1.1.2 微观分析

在失效PCB的A区切取大小为50 mm×50 mm×4 mm的试样，用无水乙醇+超声波清洗表面并吹干后，采用Zeiss Evo MA18型扫描电镜(SEM)对褐色生成物进行观察，采用Oxford型能谱仪(EDS)对完好PCB的A区镀层、基材及失效PCB的A区褐色生成物进行分析，结果见图3和表1，可知失效PCB的A区表面褐色生成物主要是铁的氧化物。

图3 失效PCB的A区褐色生成物微观形貌Fig.3 Micro morphology of brown substance in area Aof the failed PCB

1.2 PCB的B区分析

1.2.1 红外分析

采用Nexus 670型红外光谱仪对失效PCB的B区的析出物进行红外分析，结果见图4。可见析出物含卤化聚苯乙烯，推测其可能是PCB助焊剂中添加的苯乙烯类助焊剂。其中2 850，2 921，3 004，3 025，3 059，3 081 cm-1等位置是苯环上和乙烯基上C—H的伸缩振动吸收峰，1 068,1 027 cm-1位置为苯环上相邻的氢原子的面内弯曲振动峰，面外弯曲振动吸收峰在754，698 cm-1位置是苯环单取代的特征峰；位于1 600，1 740，1 801，1 870，1 942 cm-1的峰也是苯环单取代的特征峰。1 600，1 583，1 492，1450 cm-1位置附近的峰是苯环的骨架振动峰。

表1 PCB的A区能谱分析结果Tab.1 EDS analysis results in area A of PCB

图4 失效PCB的B区析出物的红外光谱Fig.4 Infrared spectra of precipitate in zone B of the failed PCB

1.2.2 能谱分析

采用Zeiss Evo MA18型SEM和Oxford型EDS对完好PCB的B区和失效PCB的B区进行分析，结果分别见图5、图6和表2。可知完好PCB的B区主要含锡、氧、碳、银、硅等元素，为表面镀锡层及其氧化物；失效PCB析出物主要含氯、碳、氧、锡等元素。结合PCB的实际工艺，推断析出物的成分可能为焊接用的助焊剂，助焊剂的主要元素包含碳和氧，能谱中含有锡的成分是由于焊锡夹杂在析出物中。

2 分析与讨论

在电子设备中经常使用带有连接触头的PCB，这些触头表面都会镀上一层稀有金属，如镀锡等，以保证触头具有高的耐磨性和低的接触电阻。均匀细致的镀层可保证PCB具有优良的可焊性和良好的抗腐蚀能力；镀层不良则会造成PCB断路，连线或者短路，甚至线路都被腐蚀。

图5 完好PCB的B区微观形貌Fig.5 Micro morphology of area B of intact PCB

图6 失效PCB的B区析出物微观形貌Fig.6 Micro morphology of precipitate in area B of the failed PCB

表2 PCB的B区能谱分析结果Tab.2 EDS analysis results in area B of PCB

镀锡层均匀性差对印制线路板的质量影响很大，这是因为镀锡层的厚度相对较薄，不均匀的镀层局部会更薄或漏镀，则该处的焊接性能变差，严重时还会导致腐蚀的发生。从该失效PCB的腐蚀情况看，A区镀锡层较薄且厚度不均匀，局部甚至漏镀而露出铁基材，在潮湿环境中PCB基材易发生氧化腐蚀生成铁锈等物质[4-5]，如图1中的褐色物质。

助焊剂含有聚苯乙烯，由于其分子中有不饱和双键，因此特别容易被氧化。PCB在焊接受热时，助焊剂迅速氧化，生成物不易溶于溶剂，这样PCB上就会有明显的白斑，而且在PCB受热较厉害的部分更加明显。该类析出物外观多表现为疏松状，极易吸收空气中的潮气和各种腐蚀性气体。

不同地区空气中含有的杂质不同，如靠近海岸的空气中的杂质主要是Na+，工业地区空气中的杂质则为SO2，H2S，NH3，Cl2等及各种悬浮颗粒或灰尘。这些气体杂质及悬浮颗粒会随着空气流动沉降在PCB表面，并溶解在PCB表面积存的水中，若PCB表面镀层处理不当就有可能发生腐蚀[6-7]。该失效PCB的B区镀锡层的杂质含量高，由于PCB吸潮在其表面形成水膜，在环境中SO2,H2S,CO2,HCl等参与下，镀锡层表面形成无数电化学微原电池，锡作为负极失去电子而发生电化学腐蚀。