浅析电子装备在大气环境中的腐蚀与防护

何成峰，宋佳莹，黄华

（中国电子科技集团公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

在古代，城墙是城市的主要防御线，一旦城墙被攻破或者出现缺口，整座城市就处于危险之中。电子设备就如同一个城池，它需要具有防御功能的“城墙”的保护，防护会由于高低温、受潮、盐雾、霉菌、雨水等外部原因而对构成材质本身形成影响，甚至受到侵蚀，而如果防护功能失灵，也可能由于这些影响产生腐蚀而导致构成材质的裂纹、介电常数发生变化、接触条件不良、绝缘强度降低，进而造成电子设备出现故障率，可靠性降低。

电子设备武器由于保护不善带来的经济损失是非常庞大的，美国已经对电子产品的故障做出统计分析，显示百分之六十以上的故障和各种环境因素相关；据美国政府有关机构研究表明，受到环境因素腐蚀，美国政府每年的经济损失比海啸、洪水、地震等这些天灾造成的经济损失总和还要多。由此可见，提高电子装备及其他产品的环境适应性极具经济性和社会性，现如今已被世界各国高度重视。

GJB 4239规定：应在装备论证、研制、生产和使用过程中开展环境工程工作，确定合理的环境适应性要求，并以合理的费用确保装备满足规定的环境适应性要求[1]。本文主要论述环境因素对电子装备的直接影响，产生的腐蚀现象及电子装备的防护设计。

1 环境适应性概述

1.1 定义

环境适应性是装备在其寿命周期预计可能遇到的各种环境的作用下能实现其所有预定功能、性能和（或）不被破坏的能力，是装备的重要质量特性之一[1]。

1.2 典型的环境类型

1）陆地气候环境

陆地大气条件一般比较温和，以极高热、极低压、潮湿和风沙为特点。

2）海洋气候环境

海洋环境的突出特征是高温、高湿和高度耐盐雾性，对中国东南部沿海地区而言，强日光辐射、大雨、强台风等也是极为严酷的天气要求。

3）空中气候条件

以气温的迅速变化、大气介质快速对流和地面振动影响为主要特点。

1.3 环境因素及其影响

1） 温度

温度会直接影响金属材料腐蚀反应的速率，一般来说高温每增加10摄氏度，金属材料腐蚀与老化的速率就会增加一倍;故障模式详见表1。

表1 温度故障模式表

2 ）水和湿度

在金属结构材质侵蚀的过程中，水分属于最主要的介质。因此防潮、防湿是防护中最关键的步骤；图1为金属表面水膜厚度和侵蚀速率之间的关系：图区域Ⅰ是在干燥大气中的水腐蚀，金属材质侵蚀速率还非常低；区域Ⅱ是在潮湿大气环境中的侵蚀，所以材料侵蚀速率和水膜厚度大小成正比；区域Ⅲ相当于在雨雪气候的侵蚀，由于水涂层厚度增大，空气在水液膜中的传播速率得到了有效抑制，所以材料侵蚀速率反而随着水膜厚度的增大而降低；区域Ⅳ等于将金属材料完全浸泡于地下水中的侵蚀。所以通常对金属材料的侵蚀都是在区域Ⅱ或者区域Ⅲ内完成的。

图1 金属表面水膜厚度与大气腐蚀速度的关系

就电子装备而言，湿气通常会通过以下方式生成：降雨、凝结的水蒸气。水可以溶解一定量的腐蚀性离子，进而对金属表层造成侵蚀。

3）盐雾

耐盐雾性主要是由于波浪、大气环流(季风)压力、海潮和日照等自然原因所造成，会随风飘落在内陆，耐盐雾性含量和离岸边的距离成反比，在一般情况下距岸边1 000 m 处的含量是在岸边时的百分之一（除大风期外）。

盐雾的危害:损伤金属材料结构件镀层;增加的电化学腐蚀速率也造成了金属导线损坏、进一步造成元器件失效等。

4）霉菌

但凡空气可以进入的设备，其零件上就有机会遭到霉菌的危害;在适当的气温和潮湿情况下，霉菌也能够吸取营养和水份发芽生长，且繁殖快度惊人。

霉菌的危害性:霉菌的发育和增殖可以吞噬有机材料，进而导致塑料的绝缘性能降低、破坏或者丧失;黑霉的部分代谢产物为有机酸含量，这种化学物质会干扰塑料的热绝缘性能和抗电能力，而且还能形成拱圈，并且还能影响外观表面。

5）太阳辐射

太阳辐射强度会因为纬度下降而增加，草原区域由于日照时数多，其紫外线强度较高;太阳所辐射的紫外光是造成高分子物质老化最重要的外因，因此任何在户外使用的高分子物质都会遭到紫外光的损害。太阳光的光波能，因辐照波段不同而异，但通常紫外线的光能就可以打断一些大分子物质的小分子连接或导致其光化学反应，从而造成大分子物质衰老。

6）粉尘

由于粉尘会沉淀到金属结构件及PCB表面，进而形成电化学腐蚀，从而提高了电气装置的故障率。

2 环境因素对电子装备的影响

2.1 环境因素促使金属腐蚀

按照侵蚀的条件和特性的不同，金属腐蚀又可以分成:电位差侵蚀、间隙腐蚀、晶间腐蚀、小孔侵蚀、内部应力侵蚀、氧的浓差侵蚀、空泡侵蚀、金属疲劳腐蚀等;就电子装备而言，最常见的有电位差腐蚀、间隙腐蚀和小孔侵蚀。

1）缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是由于金属表面和其他表面（金属的或非金属）之间形成的狭缝或间隙，在狭缝内或其近旁产生的局部腐蚀[2]。缝隙侵蚀十分强烈，一经形成就很难根除。实际中，大多数金属塑件都是用用螺栓、焊接、铆等方式连接起来，但金属与非金属间或金属与金属材料都存在空隙，铆钉和螺母间也存在空隙，金属表面和起泡的涂层间也有空隙，如果上述空隙长度足够使水、灰尘等介质进入或停留其中，就会使上述空隙内的侵蚀增强。

2） 电位差腐蚀

各种类型的金属材料电极电位也不尽相同，任何变化的二个金属材质表层交叉触及就可能会产生电位差，在电化学传感器正常工作的情况下，会供电正的一方可以得到防护，而供电负值的一方则会加速侵蚀，尤其是在各种金属材质较靠近的地方，而各种类型的金属材料表面触及后的电位差也各有不同。

3）小孔腐蚀

若在金属表面的主要表面上并不会出现侵蚀现象(或只是有非常轻微的腐蚀)，或仅在一定的区域产生了一些侵蚀小孔，且有向深部逐渐扩展的倾向，则这些行为都被称为微孔侵蚀，又称点蚀或小孔腐蚀，简要概括为局部腐蚀导致的点状蚀坑[2]。

2.2 环境因素促使非金属材料老化

非金属虽不像金属那么易生锈，但由于高分子化合物材质易遭受日光、臭氧、氧、水分、热量、细菌和工业危害废气等的危害，因此容易发生衰老现象，导致材质的表层衰老、机械强度下降、形成龟裂等，同时表层疏水性、介电常数、绝缘阻力、击穿电流、介电损耗等发生变化。

2.3 环境因素影响电性能

结构材料会因高湿、霉变等因素改变零点五导体周围介电常数;还会因表面低压力和结露，而造成接点之间打火、邻近导线之间的短接或击穿等;也会因下雨时在表面产生一层水膜，从而造成在信息传递过程中的噪音温度和热吸收比升高。

3 腐蚀典型案例及分析

3.1 缝隙腐蚀

某装备在沿海地区使用2年后，由于油漆破损形成如下图所示的腐蚀；经后续排查确定为结构件起皮后发生缝隙腐蚀，同时举一反三排查时发现其结构连接处也开始出现缝隙腐蚀（如图3所示），主要原因是在设计时未考虑表面处理的完成性和缝隙处的填胶密封。

图2 海洋环境下的腐蚀

图3 连接处缝隙腐蚀

3.2 金属底层腐蚀

某电子装配平台使用3年后，该区域长期处于积水状态，结果导致漆膜鼓泡，金属基材腐蚀（如图4所示）。主要是由于户外结构防护设计不合理，在设计时未考虑排水结构而造成腐蚀。

图4 金属底层腐蚀

3.3 非金属材料老化

某产品天线罩边缘使用一段时间后，出现老化、龟裂现象（如图5所示）。主要是由于选用的非金属材料不耐太阳光紫外辐射所致，在设计时应选择耐候树脂，外表也未涂敷高耐候图层。

图5 非金属材料老化开裂

4 针对环境腐蚀的防护措施

4.1 “三防”和“三防”设计

在军事电子行业，人类一般都把电气设备的“耐湿、防霉虫、抗盐雾”称作三防，由于电子行业技术装备应用和时代的发展，“三防”的内涵发生了巨大的变化，现在的“三防”是以进一步提高电子行业技术装备的安全可靠为主要目的，内容包括防潮、保护、防积雪裹冰、抗盐雾、防霉虫、防静电、防衰老、防风沙等等，确切的说应该称作“环境保护科技”，但在行业内部“三防”已经是约定熟成的专有名词，沿用至今。

一般所说的“三防”技术也就是保护设计，是针对电气设备在现场使用中的条件和防护的特点，对一些特殊装置、设备和器件所采用的防潮、蓄水、抗雪裹冻、抗盐雾、抗霉菌的保护方法、防护技术方法的工程设计技术。

4.2 防护设计要求

在电子装备的防护设计中，结构和工艺是防护设计的重点根据其设备组成和使用环境特点，可分别从材料选择、零部件的结构优化设计、微环境控制设计等方面去选择对应的防护措施。

1）合理选择材料

材料选择在考虑结构件适用性的同时，也要充分考虑环境防护的难度、工艺、成本和材料；对施工费用较大的结构件以及特别重要的结构件，应选用更抗环境侵蚀的材料;在不便于或无法维护的结构件中，不要混用寿命时间长短不一的材质;在使用运动磨损部位时应尽可能采用部分的防腐蚀材质或整体防腐蚀材质，如螺母小弹簧机构、螺栓、铰合件可全部采用防腐蚀材质。

2 ）材料相容性设计

不同的金属材料交叉接触会产生不同的电位差，尤其是在接触方面，在电化学传感器影响下，会导致电位负的一方被侵蚀，而电位正的一方得到防护。

3 ）零部件优化结构设计

错误的结构设计会造成先天性的问题，并且在后期很难补救，因此防腐蚀方案的选择应该融入到建筑的几何造型方案之中;结构设计应采取措施消除潮湿积水部位、消除缝隙腐蚀、预防电偶腐蚀、避免产生易腐蚀的倾向[3]；具体可参考图6。

图6 结构优化设计示意图

4） 微环境控制设计

电子设备的使用条件是复杂多变而不可控的，针对某些关键部件或保护较大的零件可以调节其使用的微状态，使之与外界不良条件有效隔绝;微环境的管理技术，主要包括密封、去湿干燥、遮蔽等。

4.3 防护工艺设计

防护工艺设计重点是对长期暴露于不良环境中的容易锈蚀或老化的机械装置与元器件选择适当的保护工艺手段，以确保其在长寿命使用的阶段内使用情况正常;以便达到所提供的防护设计条件。而针对于沿海等严酷自然环境，在工程设计中要求将多种工艺手段相结合以满足预期的防护寿命，其表面处理也是对装备防护所采取的最主要工艺手段。

工艺防护重点应首先考虑易腐蚀部位[3]，然后采取合适的防护工艺，对如下薄弱环节重点采取防护措施:

1） 金属制件连接处（如铆接、螺钉连接处）；

2）液压系统等活动摩擦部位；

3）不致密的焊缝，一些尖角、边缘、焊缝；

4）天线平台等大面积图层的边缘处、一些图层附着不牢处；

5）部分裸漏电镀层（镀锌、镀镍、镀铬等）；

6）户外接插件等。

5 结束语

电子装备在使用过程中，不可避免会接触到大气环境，从而产生一定程度的腐蚀，因此必须将防护性能列入产品的重要战术指标。结构设计是产品防护的重点，只有电子装备采取了完整的结构焊缝设计、避免缝隙设计，电讯组件采取密封设计，才能将湿热盐雾对金属的腐蚀影响减到最小。重点关注防护薄弱环节的防护工艺，并不断研究应用新材料、新工艺，进一步提高整机防护工艺水平。完善电子装备的防护设计规范和标准，提高电子装备的整体防护水平。

防护问题是一项相当复杂的工程，以单纯的加强工艺很难消除不良设计的危害，因此唯有从设计问题入手采取措施，方可为防护难题寻找良好的破解方式。