第1章 電子材料腐蝕研究進展

1.1電子材料腐蝕的影響因素 1

1.1.1 相對濕度 1

1.1.2 溫度 2

1.1.3 污染氣體 2

1.1.4 電場和磁場 4

1.1.5 灰塵與霧霾 4

1.1.6微生物 5

1.2電子材料的大氣環境腐蝕機理 6

1.2.1薄層液膜下腐蝕特點 6

1.2.2薄層液膜下大氣腐蝕的電化學特征 7

1.3電子材料的腐蝕類型 8

1.3.1電偶腐蝕 8

1.3.2微孔腐蝕 9

1.3.3爬行腐蝕 11

1.3.4電化學遷移 12

1.3.5縫隙腐蝕和沉積物下的腐蝕 13

1.3.6振動腐蝕 13

1.4典型電子材料的腐蝕特征 14

1.4.1銅腐蝕特征 14

1.4.2鎳腐蝕特征 14

1.4.3錫腐蝕特征 15

1.4.4金腐蝕特征 16

1.4.5銀腐蝕特征 16

參考文獻 16



第2章 電子材料大氣腐蝕失效機制分析

2.1試驗方法 20

2.1.1試驗材料及樣品制備 20

2.1.2高濃度H2S氣體試驗裝置 21

2.1.3中性鹽霧試驗方法 21

2.1.4掃描Kelvin探針技術 22

2.2濕H2S環境中PCB焊點腐蝕的電化學遷移行為 22

2.2.1PCB焊點的腐蝕形貌 22

2.2.2PCB焊點腐蝕產物分析 22

2.2.3PCB焊點腐蝕的電化學遷移機理 24

2.3濕H2S環境中PCB通孔處的晶須生長行為 26

2.3.1PCB通孔處的腐蝕行為 26

2.3.2PCB通孔處晶須生長機制 27

2.4濕H2S環境中PCB接插件處的腐蝕行為 28

2.4.1PCB接插件處的腐蝕形貌 28

2.4.2PCB接插件處腐蝕產物分析 28

2.4.3PCB接插件處的腐蝕機理 29

2.5鹽霧環境中錫鉛焊點的電偶腐蝕行為 30

2.5.1銅/錫鉛焊點的腐蝕形貌 30

2.5.2銅/錫鉛焊點的微區電化學規律 33

2.5.3銅/錫鉛焊料電偶腐蝕機理 36

參考文獻 37



第3章 電子材料在H2S作用下的腐蝕行為

3.1H2S氣體作用下的PCB腐蝕行為 39

3.1.1PCB-Cu的腐蝕行為 39

3.1.2PCB-ImAg的腐蝕行為 41

3.2H2S作用下PCB腐蝕電化學機理 42

3.2.1PCB-Cu的電化學機理 42

3.2.2PCB-ImAg的電化學機理 46

參考文獻 49



第4章 電子材料在鹽霧環境中的腐蝕行為

4.1PCB-Cu在鹽霧環境中的腐蝕行為 50

4.1.1腐蝕宏觀形貌 50

4.1.2腐蝕產物分析 50

4.1.3腐蝕電化學機制 52

4.2PCB-ImAg在鹽霧環境中的腐蝕行為 53

4.2.1腐蝕宏觀形貌 53

4.2.2腐蝕產物分析 54

4.2.3腐蝕電化學機制 54

4.3PCB-HASL在鹽霧環境中的腐蝕行為 56

4.3.1腐蝕宏觀形貌 56

4.3.2腐蝕產物分析 57

4.3.3腐蝕電化學機制 58

4.3.4腐蝕失效機制 59

4.4PCB-ENIG在鹽霧環境中的腐蝕行為 61

4.4.1腐蝕宏觀形貌 61

4.4.2腐蝕產物分析 61

4.4.3腐蝕電化學機制 63

4.4.4腐蝕失效機制 63

參考文獻 64



第5章 電子材料在含SO2鹽霧條件下的腐蝕行為

5.1試驗方法 66

5.1.1試驗材料及裝置 66

5.1.2含SO2鹽霧試驗方法 67

5.1.3分析方法 67

5.2PCB-Cu在含SO2鹽霧環境中的腐蝕行為 67

5.2.1腐蝕形貌 67

5.2.2交流阻抗譜分析 69

5.2.3Kelvin電位 70

5.3PCB-ImAg在含SO2鹽霧環境中的腐蝕行為 71

5.3.1腐蝕形貌 71

5.3.2交流阻抗譜分析 73

5.3.3Kelvin電位 75

5.4PCB-ENIG在含SO2鹽霧環境中的腐蝕行為 76

5.4.1腐蝕形貌 76

5.4.2交流阻抗譜分析 78

5.4.3Kelvin電位 79

5.5PCB-HASL在含SO2鹽霧環境中的腐蝕行為 81

5.5.1腐蝕形貌 81

5.5.2交流阻抗譜分析 82

5.5.3Kelvin電位 84

參考文獻 86



第6章 大氣顆粒物作用下的腐蝕行為與機理

6.1北京地區顆粒物腐蝕行為與機理 88

6.1.1顆粒物形貌與成分 88

6.1.2顆粒物腐蝕形貌 89

6.1.3腐蝕產物分析 94

6.1.4腐蝕機理分析 96

6.2吐魯番顆粒物腐蝕行為與機理 97

6.2.1吐魯番地區環境氣候特點 97

6.2.2顆粒物形貌與成分 98

6.2.3腐蝕表面形貌分析 99

6.2.4腐蝕產物分析 102

6.2.5腐蝕機理分析 104

參考文獻 105



第7章 微生物作用下的腐蝕行為與機理

7.1枯草芽孢杆菌腐蝕行為與機理 106

7.1.1枯草芽孢杆菌生長特征 107

7.1.2枯草芽孢杆菌腐蝕特點 108

7.1.3枯草芽孢杆菌腐蝕電化學 111

7.1.4枯草芽孢杆菌腐蝕機理 114

7.2蠟狀芽孢杆菌腐蝕行為與機理 115

7.2.1蠟狀芽孢杆菌生長特征 116

7.2.2蠟狀芽孢杆菌腐蝕特點 117

7.2.3蠟狀芽孢杆菌腐蝕電化學 122

7.2.4蠟狀芽孢杆菌腐蝕機理 123

7.3典型霉菌腐蝕行為與機理 125

7.3.1曲霉屬菌代謝產物 126

7.3.2曲霉屬菌在銅和錫表面生長規律 126

7.3.3曲霉屬菌腐蝕特點 129

7.3.4曲霉屬菌腐蝕機理 130

參考文獻 134



第8章 電子材料在電場作用下的腐蝕行為

8.1不同電壓作用下的PCB腐蝕行為 137

8.1.1PCB-Cu腐蝕行為 137

8.1.2PCB-ImAg腐蝕行為 139

8.1.3PCB-ENIG腐蝕行為 142

8.1.4PCB-HASL腐蝕行為 144

8.2不同線間距對PCB腐蝕行為的影響 147

8.2.1PCB-Cu腐蝕行為 147

8.2.2PCB-ImAg腐蝕行為 149

8.2.3PCB-ENIG腐蝕行為 151

8.2.4PCB-HASL腐蝕行為 153

8.2.5腐蝕短路與鹽的聚集 153

8.3不同濕度加電壓對PCB腐蝕行為的影響 155

8.3.1不同厚度薄液膜下PCB-Cu/PCB-ENIG電化學遷移行為 155

8.3.2不同厚度薄液膜下PCB-ImAg/PCB-HASL電化學遷移行為 163

參考文獻 171



第9章 電子材料在磁場作用下的腐蝕行為

9.1銅及合金在NaCl溶液中的腐蝕行為 174

9.1.1紫銅在NaCl溶液中的腐蝕行為 174

9.1.2紫銅在NaCl溶液中的電化學機理 177

9.2銅及合金在NaHSO3溶液中的腐蝕行為 178

9.2.1有無磁場對黃銅和紫銅的電化學行為影響 178

9.2.2磁場強度對黃銅和紫銅的電化學行為影響 181

9.2.3磁場對腐蝕形貌影響 184

參考文獻 192



第10章 電子材料在液滴下的腐蝕行為與機理

10.1液滴下PCB腐蝕試驗方法 194

10.2液滴下PCB腐蝕行為 195

10.2.1腐蝕形貌 195

10.2.2腐蝕產物分析 195

10.2.3Kelvin電位 198

10.3液滴下腐蝕機理 202

參考文獻 204



第11章 電子材料在薄液膜下的腐蝕機理

11.1薄液膜試驗方法 207

11.2PCB-Cu在薄液膜環境下的電化學腐蝕機理 208

11.2.1陰極極化曲線 208

11.2.2電化學交流阻抗 210

11.3PCB-ENIG在薄液膜環境下的電化學腐蝕機理 212

11.3.1腐蝕微觀形貌 212

11.3.2陰極極化曲線 213

11.3.3電化學交流阻抗 215

11.4PCB-HASL在薄液膜環境下的電化學腐蝕機理 217

11.4.1陰極極化曲線 217

11.4.2電化學交流阻抗 219

參考文獻 221

材料同信息工程、能源工程及生物工程並稱為當今世界新技術革命的四大支柱。電子材料作為信息傳輸的載體和依托，廣泛應用於各種電子設備中。隨著科學技術的發展，電子設備越來越多地應用於工業自動化控制繫統、軍事指揮繫統、社會保障服務繫統和家庭生活等各個方面。它們的運行狀況直接關繫到工業自動化和軍事指揮繫統的可靠性，以及社會和生活服務繫統的穩定性。

隨著電子技術的不斷革新，電子器件正向著進一步微型化和高度集成化的方向發展，極微量的吸附液膜或腐蝕產物都會對電子器件的性能產生嚴重影響。與結構材料相比，一方面，少量的污染物就可能導致電子材料的嚴重腐蝕，而肉眼難以觀察到的或者隻有在顯微鏡下纔能觀察到的微量腐蝕產物就可能造成連接器或連接材料的失效。另一方面，電子器件多在電場和磁場的共同作用下工作，電場和磁場的存在，對金屬腐蝕過程有明顯的影響，通常會加速腐蝕過程中離子的遷移，促進腐蝕的發展。因此電子材料腐蝕常常要比結構材料的腐蝕更為嚴重和復雜。正是這些因素加大了電子材料防腐蝕的難度，因為即使電子材料發生局部微量的腐蝕，也可能導致整個電子設備繫統的癱瘓。

電子設備的使用環境90％以上是在大氣環境，電子材料的金屬表面上一旦形成薄液膜則開始發生腐蝕電化學反應，特別是當存在SO2、H2S和NOx等污染氣體，以及表面防護中使用的有機化合物分解產生氣體和有機酸時，電子材料會快速腐蝕，導致器件功能喪失殆盡，造成整體繫統的崩潰。即使在大氣環境中存在10-9級濃度的SO2、H2S和NOx等有害氣體，也會造成電子設備的嚴重腐蝕，導致電子設備故障。例如，2007～2009年，國內某大型金融企業主機房價的電子設備連續三年發生含硫大氣腐蝕，導致電路板金屬發生露點腐蝕、器件引腳開路，造成大量存儲數據的丟失，嚴重威脅到金融安全、企業效益和客戶利益。此外，附著在金屬表面上的含鹽的各種塵埃不僅有助於水膜的形成，而且還會加速腐蝕反應。塵埃中含有SO2-4、NO-3 Cl-等水溶性成分, 當塵埃附著在連接器和觸點等部位上，在一定的濕度（40%RH）下將發生腐蝕。當電子設備在高濕（80%～100% RH）環境下使用時，還面臨著細菌、霉菌等微生物腐蝕的危險器件的使用還處於電場和磁場共同作用下的復雜環境中，外界電場和磁場對帶電粒子在薄液膜中遷移、擴散以及沉積的影響十分顯著，會加速電子材料的腐蝕過程。因此，電子材料發生的腐蝕比一般的環境損傷發展得更快速，後果更加嚴重，而且更加難以預防。

電子器件的微型化和高度集成化，以及世界範圍內污染氣體濃度的增加，電子材料面臨著更復雜的電場、磁場和污染物濃度環境；工作條件更加苛刻，腐蝕問題更加嚴重。然而，關於電子材料環境試驗方法、微量腐蝕產物分析手段、微區腐蝕電化學特征以及失效評價方法等方面的研究工作目前基本處於探索階段。因此，開展模擬電子設備使用環境下電子材料的腐蝕行為試驗研究，建立多因素作用下電子材料腐蝕失效規律和理論模型，具有重要的理論價值和實際意義，可為電子設備繫統中電子電路器件的選材、設計、制造、防護和維修等提供理論指導。

本書分為11章，第1章概括了電子材料腐蝕研究進展；第2章介紹了電子材料大氣腐蝕失效機制分析；第3章至第5章詳細闡述了電子材料在H2S作用下的腐蝕行為、電子材料在鹽霧環境中的腐蝕行為、電子材料在含SO2鹽霧條件下的腐蝕行為；第6章介紹了大氣顆粒物作用下的腐蝕行為與機理；第7章介紹了微生物作用下的腐蝕行為與機理；第8章和第9章重點介紹了電子材料在電場和磁場作用下的腐蝕行為；第10章和第11章介紹了電子材料在液滴下的腐蝕行為與機理和電子材料在薄液膜下的腐蝕機理。

此外，為方便讀者對比、參照，書中圖片對應的彩色照片可以掃描下方二維碼直接免費查閱。

本繫列研究工作是在國家自然科學基金面上項目（No. 51671027和51271032）、國家自然科學基金重點項目（No. 51131005）、航空工業基金項目（No. 2011ZD74003）和科技部科技基礎條件平臺項目（2005DKA10400）的共同資助下完成的，在此一並感謝！

本書由北京科技大學肖葵研究員、航天材料及工藝研究所鄒士文高級工程師、北京科技大學李曉剛教授、北京科技大學董超芳教授編著。李曉剛教授對全書進行了細致的審核。特別感謝易盼博士、丁康康碩士、胡靜碩士、顏利丹碩士、胡玉婷博士、白子恆博士、劉茜博士、鄭文茹碩士、高雄碩士、熊睿琳碩士等在電子材料腐蝕機理研究方面做了大量細致的研究工作，同時也感謝張婷、張亦凡、毛成亮、王旭、蔣立、董鵬飛、李雪鳴、王吉瑞、薛偉、李曌亮、馮亞麗、白苗苗、宋嘉良、陳俊航等同學的工作。

由於受工作和認識的局限，書中不足之處難免，希望讀者賜教與指正。



編著者