Коррозия печатных плат: причины, способы очистки и предотвращения.

Существует несколько типов коррозии, но наиболее распространенной является коррозия общего характера. При общей коррозии кислород и влага из воздуха вступают в реакцию с открытыми медными поверхностями. В результате этой реакции образуется оксид меди, который со временем накапливается и увеличивает электрическое сопротивление медных дорожек.
По мере накопления оксида меди он может превышать пороговые значения допуска для цепей и вызывать электрические сбои. Однако, хотя проводимость снижается, объемные механические свойства меди обычно остаются неизменными.

Общая коррозия поражает всю открытую медную поверхность более или менее равномерно. Это облегчает обнаружение при визуальном осмотре по сравнению с локальной коррозией, которая поражает локализованные, изолированные области. Предотвратить общую коррозию также, как правило, проще, поскольку для этого в основном требуется поместить печатную плату в защитный барьер, такой как конформное покрытие, для блокировки воздуха и влаги.

Атмосферная коррозия является наиболее распространенной формой коррозии, поражающей печатные платы (PCB). Это происходит, когда влага и кислород в атмосфере вступают в реакцию с открытыми следами металла на печатной плате. Все металлы в той или иной степени подвержены атмосферной коррозии. Однако медь особенно склонна к этому из-за своей высокой реакционной способности. Медь часто используется для дорожек цепей. покрытые сквозными отверстиями, и другие проводящие элементы в печатных платах.

Процесс атмосферной коррозии начинается, когда на открытой металлической поверхности скапливается влага. Молекулы воды адсорбируются на поверхности, образуя тонкую пленку. Затем кислород диффундирует через эту пленку и реагирует с медным металлом. Реакция коррозии образует оксид меди, которая имеет более низкую электрическую проводимость, чем чистая медь. Со временем, по мере образования большего количества оксида меди, электрическое сопротивление медных дорожек увеличивается. Как только сопротивление превышает пороговые значения допуска для данной цепи, могут возникнуть электрические сбои.
Хотя атмосферная коррозия ухудшает электрические характеристики медных дорожек, их механические свойства, такие как твердость и прочность на разрыв, часто остаются неизменными. Это связано с тем, что атмосферной коррозии обычно подвержен только тонкий поверхностный слой. Основная масса меди остается неизменной.

Локализованная коррозия — это коррозия, которая затрагивает ограниченные, изолированные участки медной цепи. Существует 3 основных типа:

1. Нитевидная коррозия: Нитевидная коррозия возникает, когда влага проникает под отделку поверхности и контактирует с открытыми дефектами медной оболочки. Это создает электролитическую коррозионную ячейку, которая позволяет электрическому току течь вбок. По мере распространения ячейки она потребляет медь на своем пути, со временем разрушая большие участки схемы.
2. Щелевая коррозия: Щелевая коррозия развивается под компонентами, где остаточные загрязнения, попавшие в щели, образуют электролит, поддерживающий коррозионную ячейку. Коррозия в первую очередь поражает основание щели, где обнажена медь. По мере развития щелевой коррозии она проникает сквозь медные следы, в конечном итоге разрывая их.
3. Точечная коррозия: Питтинговая коррозия образует небольшие полости или «ямки» в медной оболочке из-за локализованных элементов гальванической коррозии. Медь расходуется у основания карьера, в то время как гидроксильные ионы накапливаются внутри карьера, создавая кислую среду, ускоряющую коррозию. Ямки со временем становятся все глубже и шире, в конечном итоге проникая в медные следы и вызывая сбои в электроснабжении. Однако коррозионные отложения внутри язв часто скрывают питтинговую коррозию, что затрудняет ее визуальное обнаружение. 

Гальваническая коррозия возникает, когда два разнородных металла находятся в электрическом контакте внутри электролита. В печатных платах это обычно связано с медными дорожками в сочетании с другим металлическим компонентом, например золотом или оловом. При воздействии электролита, например влаги, образуется электрохимическая ячейка. Электроны перетекают от более активного металла (анода) к менее активному металлу (катоду), разъедая анодный металл с ускорением.
Ключевое различие между гальванической и питтинговой коррозией заключается в том, что гальваническая коррозия требует наличия в электрическом контакте двух разных металлов, тогда как питтинговая коррозия включает только один металл. Гальваническая коррозия обычно поражает всю поверхность раздела между двумя металлами.

Когда во влаге, которая контактирует со следами меди, присутствует ионное загрязнение, на медных поверхностях может произойти рост дендритов. Дендриты представляют собой разветвленные древовидные структуры, образующиеся в результате осаждения ионов меди из электролита на предпочтительные кристаллографические плоскости.

Если на соседних медных дорожках образуются пересекающиеся дендриты, может возникнуть электрическое короткое замыкание, потенциально повреждающее схему. Дендриты с большей вероятностью образуются там, где трассировка более плотная и воздействие ионных загрязнений выше.

Межкристаллитная коррозия влияет на границы зерен внутри следов меди. Границы зерен имеют тенденцию иметь более высокую концентрацию примесей и дефектов, что делает их более восприимчивыми к коррозионному воздействию.

Когда присутствуют химические вещества, которые могут проникать через границы зерен, они могут инициировать реакции коррозии на границе раздела между соседними медными зернами. Затем эта коррозия распространяется вдоль границ зерен, потенциально отделяя целые зерна от следа и нарушая его целостность.

Флюс необходим во время пайки, чтобы помочь припою растекаться и прилипать к металлическим поверхностям.Однако остатки флюса могут вызывать сильную коррозию и со временем вызывать проблемы.

Традиционные флюсы содержали такие химические вещества, как хлор и другие активированные соединения, которые активно удаляли оксиды металлов во время пайки. Несмотря на свою эффективность, остатки этих флюсов были очень коррозийными, и их приходилось тщательно очищать после пайки. Однако при пайке волновой пайкой температура может оказаться недостаточно высокой для полного разложения флюса, оставляя после себя остатки кислоты. Нажмите, чтобы прочитать более подробную информацию о процессе пайки волновой пайкой и пайки оплавлением.

Даже небольшое количество остаточного флюса со временем может вызвать проблемы с коррозией, поскольку остатки кислоты поглощают влагу из окружающей среды. Это образует электролит, который способствует реакциям электрохимической коррозии. Кислоты также снижают pH, еще больше ускоряя коррозию.

Фреттинг-коррозия возникает из-за небольших возвратно-поступательных движений между двумя контактирующими металлическими поверхностями. В печатных платах это обычно происходит с припаянными переключателями, поскольку они неоднократно открываются и закрываются во время работы.
Каждый раз, когда переключатель замыкается, точки контакта трутся друг о друга, вытирая. При этом удаляется часть тонкой оксидной пленки, которая обычно защищает металлические поверхности от коррозии. Когда оксидный слой нарушается, оголенный металл может вступать в реакцию с кислородом и влагой воздуха, образуя продукты коррозии.

Электролитическая коррозия возникает, когда электролит присутствует между двумя проводящими дорожками, имеющими потенциал напряжения. Это позволяет течь ионному току и мигрировать ионам металлов, что приводит к образованию металлического покрытия или отложению металлических дендритов, которые могут вызвать короткое замыкание. Для возникновения электролитической коррозии необходимы три вещи:

• 1) раствор электролита, содержащий ионы;
• 2) проводящие следы, выполняющие роль электродов;
• 3) разность потенциалов между дорожками.

Когда эти условия существуют, проводящие дорожки становятся анодом и катодом электролизера. Ионы электролита мигрируют к катодной дорожке, принимая электроны и образуя крошечные металлические усы, называемые дендритами.
Дендриты продолжают расти по мере того, как все больше ионов металлов высвобождаются под действием электрического потенциала. В конце концов, эти дендритные выступы соседних дорожек могут контактировать друг с другом и вызвать непреднамеренное короткое замыкание.