第二章 电子产品的防腐蚀设计
第二章电子产品的防腐蚀设计
2．1 概述
2．1．1 腐蚀效应
1．腐蚀的概念
材料受环境介质的化学作用而发生性能下降、状态改变、甚至损坏变质的现象。
2．腐蚀的分类
根据被腐蚀材料的种类，可分为金属腐蚀和非金属腐蚀两大类。
金属腐蚀：金属与周围环境介质之间发生化学或电化学作用而引起的破坏或变质现象。按照腐蚀的机理分类，可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀。化学腐蚀主要为金属在无水的液体和气体以及在干燥的气体中的腐蚀。物理腐蚀是指金属由于单纯的物理溶解作用而引起的破坏，金属与熔融液态金属接触引起的金属溶解或开裂就属于物理腐蚀。电化学腐蚀是金属与电解液发生作用所产生的腐蚀。其特征是腐蚀过程中有电流产生，在金属表面上有隔离的阳极区和阴极区，被腐蚀的是阳极区。电化学腐蚀的现象与原电池作用相似。
电化学腐蚀是最普遍、最常见的金属腐蚀，在造成电子设备故障的常见的原因中，金属的电化学腐蚀是最常受到指责的因素。大多数电子设备的制造、运输、储存和使用都是在地面或接近地面的地方进行，因此金属材料在潮湿大气中的腐蚀破坏是电子设备防腐蚀设计重点考虑的问题。
非金属材料在化学介质或化学介质与其他因素（如应力、光、热等）共同作用下，因变质而丧失使用性能称为非金属材料腐蚀。电子设备使用的非金属材料，以有机高分子材料为最广泛，如塑料、涂料、薄膜、绝缘材料等。高分子材料腐蚀的主要形式有老化、化学裂解、溶胀和溶解、应力开裂等。
由于生物活动而引起材料变质破坏的现象通常称为生物腐蚀，其中由于霉菌和其他微生物引起的腐蚀也称为霉腐或霉变。
2．1．2 腐蚀性环境因素
凡是能够作为腐蚀介质引起材料腐蚀的环境因素，都可称之为腐蚀性环境因素，主要有以下几种：
1．水分。
2．氧和臭氧。
3．温度。
4．腐蚀性气体。
5．盐雾。
6．沙和灰尘。
7．太阳辐射。
8．微生物额动物。
2．1．3 防腐蚀设计的基本要求
实践证明，采取恰当的防护措施，腐蚀是可以受到一定程度的控制，有些腐蚀事故是可以避免的。在防腐蚀设计时，应该考虑的主要因素有：电子设备可能遭遇的环境条件及主要的腐蚀性环境因素；对腐蚀损坏最敏感的部位（包括元器件、零部件和材料）；要求保护的程度（临时性防护、可更换零件防护、高稳定性永久性防护等）以及允许采用的防护手段。通过对各种因素的综合分析，预测可能发生的腐蚀类型和危险性后果，从而确定合理而有效的防腐蚀措施。防止电子设备腐蚀损坏的基本方法有以下几种：
1．采用高耐蚀性材料；
2．消除或削弱环境中的腐蚀性因素；
3．对不耐蚀材料进行耐蚀性表面处理；
4．防腐蚀结构设计；
5．电化学保护；
企图仅仅采用一种方法来达到防止腐蚀的目的是不切实际的。通常需要将几种方法接合起来使用，以获得经济而有效的结果。
2．2 潮湿及生物危害的防护
2．2．1 潮湿的防护
1、潮湿的危害
气候条件对电子设备的影响是多方面的，但从设备产生故障的直接原因来看，潮湿是主要因素。
潮湿对电子设备具有下列破坏作用：
（1）引起金属腐蚀及加快腐蚀速度。
（2）使非金属材料性能变坏、失效。一些吸湿较大的材料，吸湿后发生溶胀、变形、强度降低乃至产生机械性破损。此外，水分附着在材料表面或渗入内部，使材料表面电导率增加，体积电阻降低，造成短路、漏电和击穿，介质损耗增大。潮湿也是使油漆涂覆层起泡，脱落从而失去其保护作用的一个重要因素。
（3）水是一种极性介质，能够改变电气元件的参数，例如水附着在电阻器上，会形成一漏电通路，相当于在电阻器上并联一可变电阻。
（4）在一定温度条件下，潮湿有利于霉菌的生长繁殖，引起非金属材料的霉烂。
（5）当温度升高或空气中含有杂质（如灰尘、盐分等）时，潮湿的影响和危害将加剧。
2、吸湿机理
处在潮湿空气中的物体，由于空气中的水分在热的作用下蒸发形成水蒸汽，水蒸气的分子运动，必然有一部分水分子被吸附在物体表面上，形成了一层水膜，随着空气相对湿度增高，水膜厚度亦增大。一切物体的吸湿，都是由这层水膜引起的。
物体的吸湿有以下四种形式：
（1）扩散
在高湿环境下，由于物体本身和周围环境的水汽压力差较大，水分子在压力差的作用下，向物体内部扩散，使水分子进入物体内部。扩散随着温度增高而加剧。
（2）吸收
有些材料本身具有缝隙和毛细孔，当物体处于潮湿空气中时，材料表面的水
分子由于毛细作用，进入材料内部。
（3）吸附
由于物体表面分子对水分子具有吸引力，当物体处于潮湿空气中时，水分子就会吸附到物体表面上，形成一层水膜。
（4）凝露
当物体表面温度低于周围空气的露点温度时，空气中的水蒸汽便会在物体表面上凝结成水珠，形成一层很厚的水膜。在高低温交变循环下，可能造成物体内部的内凝露，严重时造成物体内部积水。
扩散和吸收使水分子进入材料内部，因而会使材料的体积电阻率下降，水分子以扩散和吸收的形式进入材料内部的程度，可以用吸湿性（吸潮性）和透湿性等指标表示。
吸附和凝露会使材料表面形成一层水膜，造成材料表面电阻率下降。材料表面是否被水润湿，对材料表面电阻率有很大的影响，一般来讲，材料表面被水润湿的程度越大，其表面电阻率下降也越大，材料表面被水润湿的程度可用润湿角来表征。当润湿角α＜900时，材料可被认为是亲水性的，即物体表面对水分子的吸引力大于水的表面张力。亲水性物体使水在物体表面上连成一片水膜。当润湿角α＞900时，则被认为是憎水性的，即物体表面对水分子的吸引力小于水的表面张力。憎水性物体使水在物体表面上收缩成不相连接的小水珠，物体表面不易润湿，水分子不易渗入物体内部。而且，α角越大，表示物体的憎水性越强以上四种吸湿形式可能同时出现，也可能只出现某一二种，这要根据具体情况而定。
3、防潮湿措施
防潮湿措施首先是合理地选用材料，在满足结构强度，性能要求和经济性的情况下，应采用耐腐蚀、耐湿、化学性能稳定的材料，同时采取表面憎水处理、浸渍、灌封、密封等方法。
（1）憎水处理
亲水性物质的吸湿性、透湿性大，可以通过憎水处理改变其亲水性，使它的吸湿性和透湿性降低。方法是把硅有机化合物盛在容器中，放到加热器中加热到50~70℃，让其挥发，被处理的元器件和零件在有机硅蒸汽中吸收有机硅分子，
然后在180~200℃的环境中烘烤，有机硅分子渗入元器件和零件所有的毛细孔和缝隙并与水分子化合，在元器件和零件表面形成憎水性的聚硅烷膜。
（2）浸渍和蘸渍
浸渍是将被处理的元器件和零件浸入绝缘漆中，经过一段时间使绝缘漆进入元器件和零件的毛细孔、缝隙以及结构中的空隙，从而提高了元器件和零件的防潮湿性能。浸渍有一般浸渍和真空浸渍两种，真空浸渍的效果高于一般浸渍。经浸渍处理后的元器件和零件除了具有良好的防潮湿性能外，还能提高纤维绝缘材料的抗电强度、热稳定性，提高元器件和零件的机械强度，改善了传热性能。
蘸渍是把被处理的元器件和零件短时间（几秒钟）地浸泡在绝缘漆中，使元器件和零件表面上形成一层薄绝缘漆膜；也可以用涂覆的办法在元器件和零件表面涂上一层绝缘漆膜。蘸渍适用于敞开式的整机、功能单元等，除了能防潮湿以外，还能增加元器件和零件的外形美观。
蘸渍和浸渍的区别在于：蘸渍只是在材料表面上形成一层防护性能绝缘漆膜，而浸渍则是将绝缘漆深入到材料内部，所以蘸渍的防潮湿性能比浸渍差。
常用的防潮漆有：环氧绝缘清漆、聚氨脂绝缘清漆、环氧—聚酰胺绝缘清漆等。
（3）灌封
灌封是用热熔状态的树脂、橡胶等将元器件浇注封闭，形成一个与外界环境完全隔绝的独立的整体。灌封除可保护电子元件避免潮湿和腐蚀外，还能避免强烈振动、冲击及剧烈温度变化对电子元件的不良影响，以及提高抗振冲强度。但此法多适用于小型的单元、部件及元器件。
灌封材料主要要求是应具有优异的粘附力，很小的透湿性、较高的软化点以及优良的向物体缝隙的渗透能力。
常用的灌封材料有：有机硅凝胶、有机硅橡胶、环氧树脂等。
（4）密封
密封是长期防止潮气影响的最有效方法。它就是将零件、元器件或一些复杂的装置甚至整机安装在不透气的密封结构中。此法造价较高，工艺较复杂。
作为防潮湿的辅助手段，有时可对某些设备采用定期通电加热的方法来驱除潮气，也以用吸潮剂吸掉潮气。
2．2．2 生物危害的防护
1、霉菌的滋生及其危害性
（1）霉菌特性
霉菌属于细菌中的一个系列，它能在土壤里及一切有机材料和有些无机材料的表面上滋生和繁殖
霉菌的孢子很小（小于1μm），极易随空气侵入设备内部，因此，凡是空气可以进入的设备中，所有的零件都有可能受到霉菌孢子的污染。此外，各种昆虫和尘埃也都是传播孢子媒介。
霉菌在生长和繁殖过程中需要水分、氧气以及碳、氢元素和微量磷、镁、钾、钙等元素作为其营养物质。霉菌孢子只有在潮湿的情况下，才能生长；只有在有水的情况下，霉菌才能进行一系列的新陈代谢作用。一般情况下，当空气中的相对湿度低于65%时，霉菌极难生长，而在潮湿的环境中，霉菌生长旺盛；但当空气中的相对湿度达到100%时，物体的表面将凝聚一层水膜，对霉菌的生长亦不利。氧气是霉菌生命过程中进行呼吸作用的必需物质，停止供给新鲜氧气，霉菌的生长就会终止。对于霉菌所需的其他营养物质，在电子设备中的许多非金属材料中都能得到满足。
霉菌生长和繁殖最适宜的温度范围是20~30℃，温度高于30℃，霉菌的生长能力将是显著下降；温度超过60℃，霉菌则很容易死亡。霉菌抗低温的能力较强，低温只能抑制霉菌的生长，而致死作用较差。霉菌的最低生长温度为摄氏6℃。
（2）霉菌的危害性
由于霉菌是靠自身分泌的酶在潮湿条件下分解有机物而获得养料，这个分解过程就是霉菌侵蚀和破坏有机物材料的根本原因。霉菌对电子设备的危害分为直接危害和间接危害两种。
霉菌对电子设备的直接危害是：由于霉菌在生长和繁殖过程中从有机物材料中摄取营养成份，从而使材料结构发生破坏，强度降低、物理性能变坏。同时，霉菌本身作为导体，可以造成短路，给电子设备带来更严重的后果。
霉菌对电子设备的间接危害是：由于霉菌在新陈代谢过程中分泌出的二氧化碳及其他酸性物质，引起金属腐蚀和绝缘材料的性能恶化。同时，霉菌还会破坏元件和设备的外观，以及给以人的身体造成毒害作用。
因此，对处于潮湿环境中工作的电子设备，为了减少霉菌对其的影响，应进行防霉处理，以提高其可靠性。
2、防霉菌措施
（1）控制环境条件，抑制霉菌的生长
霉菌的生长和繁殖需要适当的环境，如果在电子设备的内部放入干燥剂并将设备密封，保持设备内部干燥、清洁；或将设备处于温度低于摄氏6℃，通风良好的干燥环境中，就能使霉菌失去生长和繁殖的条件，从而收到良好的防霉效果。
（2）使用抗霉材料
合理选用材料是电子设备防霉的最基本方法。材料的抗霉性，主要取决于材料本身的性质，一般含有天然有机物的材料，如皮革、木材、棉织品、丝绸、纸制品等极易受霉菌的侵蚀；而像石英粉、云母等无机矿物质材料，则不易长霉。因此，在电子设备中应尽量避免使用上述各种有机材料。合成树脂本身具有一定的抗霉性能，但因有机颜料、油脂、某些增塑剂和填料的加入，使得某些种类的油漆、塑料易受霉菌的侵蚀。不论是天然橡胶还是合成橡胶，均为高分子碳氢化合物，若与霉菌长期接触，能被分解转化成为霉菌的营养物质，为霉菌所侵蚀。
为此，建议采用玻璃纤维、石棉、云母和石英等为填料的压塑料和层压材料。橡胶宜采用氟橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶及氯丁橡胶等合成橡胶；粘结剂及密封胶宜采用以环氧、环氧酚醛，有机硅环氧等合成树脂（或合成橡胶）为基本成份的粘结剂；绝缘浸渍用漆则宜采用改性环氧树脂漆和以有机硅为基本成份的油漆。
（3）用足够强度的紫外线照射
用足够强度的紫外线和日光的照射不仅能防止霉菌对电子设备的侵入，而且可以消灭霉菌。
（4）防霉处理
当必须使用不耐霉或耐霉性差的材料时，则必须使用防霉剂进行防霉处理，防霉剂系化学药品，能够抑制霉菌的生长和繁殖或将其灭杀。
防霉剂的使用有下列三种形式：
①混合法：把防霉剂与材料的原料混和在一起，制成具有抗霉能力的材料。例如，在造漆时可把防霉剂加入漆中制成防霉漆。
②喷涂法：把防霉剂和清漆混合，喷涂于整机、零件和材料的表面。
③浸渍法：制成防霉剂稀溶液，对材料进行浸渍处理。棉纱、纸张等可用此法。
一般，对于零部件是在机械加工后作防霉处理；而对于材料，可根据它的来源和使用时间，在材料的配制（制造）中或使用时进行防霉处理。必须指出：各种防霉剂都具有不同程度的毒性或难闻气味，使用时应注意劳动保护。
3、其他生物危害及其防护
微生物或海洋动物、植物等也会使电子设备中的金属产生腐蚀。通常，由于微生物的存在为电子设备的金属腐蚀创造了必要的条件或使腐蚀的过程加速。例如，附着在金属表面上的动物类、植物类的海生物，通常是通过海风或海浪把它带入电子设备的，这些海生物在其新陈代谢过程中释放二氧化碳和氧气，其尸体可分解出硫化物，这些物质均能使金属发生腐蚀或使腐蚀过程加快，有的还能破坏油漆防护层。钢、铁、铝及其合金是海生物最能附着的材料，而对于铜材表面，海生物附着力最小。
防止生物危害最有效的方法是进行合理结构设计或采用密封结构，加大腐蚀材料的厚度、选用耐腐蚀的材料，以及阴极保护法等都能减少生物对电子设备的危害。
2．3 金属腐蚀机理
2．3．1金属腐蚀的定义
金属材料的腐蚀现象都是在外界腐蚀介质的存在下而发生的。因此，金属材料与外界腐蚀介质发生作用（化学的或电化学的作用）而破坏的现象称为金属腐蚀。金属腐蚀都是从与介质相接触的表面开始，再向金属内部或表面其他部分扩展。发生腐蚀后，金属不再作为元素，而是变成了某种化合物，从而失去了作为为金属材料的宝贵性能。
金属腐蚀是一种化学性损坏，单纯的机械作用造成金属的物理性破坏，不能叫作金属腐蚀。但是，有时腐蚀介质与机械因素会同时作用，两者可以互相促进，加速金属的破坏，例如，金属零件在交变应力与腐蚀介质共同作用下发生疲劳损坏（称为腐蚀疲劳）时，其疲劳强度比在空气中的疲劳强度低得多。
表征金属材料对某种腐蚀介质的抵抗能力通常用金属材料的耐蚀性来表示，
金属材料的耐蚀性并非恒定的指标，而是随金属材料和腐蚀介质的种类及其他条件（如温度、湿度、应力、表面状态等）不同而异。一种金属在某种腐蚀介质中不发生腐蚀，称其耐蚀；对于即使存在发生腐蚀的可能性，但腐蚀速度极其缓慢的材料，也可看作是耐蚀的。
2．3．2．金属腐蚀的分类
按照腐蚀作用发生的机理，金属腐蚀可以分为化学腐蚀与电化学腐蚀两类。
化学腐蚀是金属与腐蚀介质直接进行化学反应，是没有电流产生的腐蚀过程。如果从腐蚀过程进行时的条件来考虑，化学腐蚀是在非电介质溶液或干燥气体作用下金属发生的腐蚀。
电化学腐蚀是金属与电解液发生作用所产生的腐蚀。其特征是腐蚀过程中有电流产生，在金属表面上有隔离的阳极区和阴极区，被腐蚀的是阳极区。电化学腐蚀的现象与原电池作用相似。
在电化学中，通常规定发生氧化反应的电极称为阳极；发生还原反应的电极称为阴极。因此，在原电池中电位较高的正极是阴极，电位较低的负极是阳极。
根据组成腐蚀电池的电极尺寸大小及阴、阳极区分布随时间的稳定性，并考虑到促使形成腐蚀电池的影响因素和腐蚀破坏的特征，一般可将腐蚀电池分为宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池两大类。
（1）、宏观腐蚀电池。通常是指由肉眼可见的电极所构成的腐蚀电池，电池的阴极区和阳极区往往保持长时间的稳定，因而导致明显的局部腐蚀。宏观腐蚀电池有以下几种。
●异种金属接触电池。即不同金属在同一电解液中相接触构成的腐蚀电
池。
●浓差电池。即同一种金属浸入不同浓度的电解液中形成的腐蚀电池。金
属的电极电位与金属离子的浓度有关，当金属与含有不同浓度的该金属
离子的溶液接触时，浓度稀处，金属电位较负；浓度高处，金属电位较
正，从而稀处金属离子浓差腐蚀电池。
●温差腐蚀电池。金属浸入电解质溶液中各部分由于温度不同而具有不同
的电位，因而稀处腐蚀电池。
（2）、微观腐蚀电池。由于金属表面存在电化学不均匀性，使金属表面出现
许多微小的电极，从而构成各种各样的微小的腐蚀电池，简称微电池。
●金属表面化学成分的不均匀性引起的微电池。金属表面的杂质以微电极
的形式与基体金属构成的许多短路的微电池。
●金属组织不均匀性构成的微电池。金属晶界的电位通常比晶粒内部的电
位低，成为微电池的阳极，腐蚀首先从晶界开始。
●金属物理状态不均匀性引起的微电池。金属各部分变形不均匀，或应力
不均匀，都可引起局部微电池。通常变形较大或受应力较大部分为阳极。
●金属表面膜不完整引起的微电池。金属表面钝化膜或其他具有电子导电
性的膜或涂层，由于存在孔隙或破损，该处的基体金属通常比表面膜的
电位负，形成膜－孔电池。
2．3．3．金属腐蚀的破坏形式
金属腐蚀的破坏形式有全面腐蚀及局部腐蚀两种类型。如果腐蚀分布在金属整个表面上，则称为全面腐蚀，全面腐蚀可以是均匀的或是不均匀的。如果腐蚀是集中在某一定区域而表面上的其它部分却几乎未遭受腐蚀，则称为局部腐蚀。局部腐蚀又可分为斑状腐蚀、陷坑腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、穿晶腐蚀和表面下腐蚀、选择腐蚀等。金属究竟发生哪种类型的腐蚀，决定于金属与环境的各种因素的综合作用。
全面腐蚀对金属构件本身破坏程度较小，但对具有表面装饰性的金属和金属镀层，或是在利用金属表面性质的情况下，这种腐蚀是最应避免的。局部腐蚀比全面腐蚀危害更大，因为往往在损失的金属量不大的情况下造成非常严重的机械性能的损坏，而且具有较大的隐蔽性。
2．3．4．金属腐蚀对电子设备的危害性
金属腐蚀的发生，必然影响到金属零部件、元器件的电性能，机械性能和防护性能，造成各种开关及接触件的接触不良，机械传动系统的精度降低；固定件的强度减弱；电磁元器件的参数改变等不良后果，同时，腐蚀产物还有可能造成电气上的短路、绝缘材料漏电而降低介质的电性能等，严重地影响了电子设备的性能参数，降低使用寿命，甚至使设备损坏。此外金属腐蚀还使得设备的维修、零件更换的次数增加，以及为采取防腐蚀措施而增加生产工序等间接损失。
实践证明，在热带、海洋、化工、工业气体等腐蚀性强的环境中，电子设备