基于海洋电子设备防腐性能研究

杨其正,曹 真

(枣庄拓宇环保科技有限公司,山东 枣庄 277000)

海洋大气环境变化因素非常多,这些变化因素会在某种程度上腐蚀电子设备,相比传统金属设备,电子设备内含较多线路与部件,且这些电子元件极易受大气环境腐蚀,例如,水汽、潮湿天气以及海水盐雾等。所以,海洋电子设备防腐性能的提升,是现阶段需要重点研究的问题之一,若要有效控制电子设备腐蚀,就要隔绝海洋大气环境和电子设备大面积接触,保证电子设备运作于密闭空间中。

1 海洋大气环境特性

海洋大气环境本身具有高温、高湿、盐雾以及霉菌等特点,此为导致电子电气设备腐蚀的主要影响因素,不同类型的电子电气设备由于各自组成材料的不同,其腐蚀特性也各不相同,应根据不同需求采取相应的防护措施。

2 电子设备特点及海洋环境下的腐蚀原理

2.1 电子设备特点

(1)电子部件比较多。通常电子设备内含大量元器件,且多数元器件都属于半导体、导体以及金属等,是容易发生电解反应的一种材料。电子元器件又属于精密部件,在盐雾微颗粒上升到特定程度,就可能会渗入到元器件中,而器件间隙比较小,极易产生电流通路,所以,海洋电子设备防腐难度非常大。

(2)机箱封闭弱。为符合日常散热与检修需求,通常电子设备的外壳与机箱封闭性都比较弱,由此就进一步提高了电子设备防腐控制难度。如果机箱封闭性不足,盐雾或者潮湿现象就极易在电子设备中出现,久而久之就会腐蚀电子设备内部元件。

2.2 海洋电子设备腐蚀原理

(1)盐雾形成。海洋环境下,盐雾是混合大量微颗粒离子而产生的物质,盐雾质量通常在5～10 mg,且颗粒直径大多不足20 μm。盐雾微颗粒会顺着海洋气流迅速扩散,并蒸发水分,进而产生微细盐粒。从根本上说,盐雾腐蚀是一种电化学腐蚀形式,因为盐雾内部含有很多氯离子,如果氯离子对定量水分进行吸收,则会电离出非金属阴离子与金属阳离子。此外,氯离子是比较强的一种电解质,且本身带有吸湿性,微电池系统形成的情况下,电荷传递回路时就会出现电子设备腐蚀现象。

(2)盐雾条件。通常海洋中产生盐雾物质必须满足一定条件,这一般和海洋湿度、温度等关系密切。首先,湿度。如果海洋环境湿度在70%以下且超过60%,那么金属表面就很难形成水膜,不易产生电解反应,所以腐蚀程度比较低。如果湿度在70%以上,水膜上升至一定厚度,则会呈现电子设备腐蚀现象;其次,温度。海洋环境温度和盐雾腐蚀相关性密切,温度会对盐雾微颗粒体积产生影响,进而影响到微颗粒能否穿透电子设备,以对其产生腐蚀性。研究发现,在海洋环境温度一定时,盐雾微颗粒会缩小,此时会增强其穿透力。

3 海洋电子设备防腐技术

防潮湿、防盐雾和防霉菌的设计简称“三防设计”,在电子装备研制过程中极受重视,现已扩展成防结露、防辐射、防老化、防静电等方面的设计。电子电气设备的三防性能已成为重要的技战术指标之一。海洋环境下电子电气设备的防护技术主要有两种:涂层防腐技术和环境控制防护技术,见图1。

图1 海洋电子设备防腐技术

3.1 涂层防腐技术

涂层防腐技术通过在电子电路板、电子器件表面涂覆具有适合电性能的防腐蚀涂层,达到防腐蚀目的,该技术可分为传统的电子防护漆(胶)涂覆防护技术和纳米涂层防腐技术。

3.1.1 电子防护漆(胶)涂覆防护技术

在热带海洋大气环境中,电子防护漆(胶)涂覆防护技术是印制电路板的常规防护技术,通过在电路板表面涂覆涂层,避免金属线路和元器件直接与环境气体接触,具有技术工艺成熟、成本低的特点。电路板表面的防护涂层通常也称为“三防漆(胶)”,具有良好的绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防盐雾、防霉、防老化、防硫化、耐电晕等性能。它是一种以高分子材料为主体,有机溶剂为分散介质的特殊配方涂料。根据美国MIL-I-46058等相关军用标准,电子漆(胶)涂覆防护技术按材料可分为:丙烯酸酯树脂(AR)、环氧(改性)树脂(ER)、有机硅树脂(SR)、聚氨酯(UR)、聚对二甲苯(XY)、FC-氟碳树脂、改性醇酸体系、合成橡胶体系等。掺杂改性等方式可提高防护涂层的性能。研究发现,在传统的氧化涂层涂料中掺杂氧化石墨烯,可以显著增强其防腐蚀性能。涂层的固化方式有很多,主要包括溶剂型室温固化、热风固化、红外固化和紫外光固化等。

根据海洋环境对盐雾防护的高要求,目前推荐使用的涂层防腐体系包括聚氨酯体系、有机硅体系、合成橡胶体系等。这几种涂层防腐体系在美国的肯尼迪航天中心、日本种子岛发射场等海洋环境中得到不同程度的应用。其喷涂方式一般采用智能机器自动喷涂。

印制电路板是电子电器元件防护的核心载体,为保证电路板防护涂层的可靠性,国内外针对电路板的防护涂层制定了详细的规范标准。国外标准包括美国电子工业连接协会标准(IPC标准)、国际电工委员会标准(IEC标准)和美国军用标准( MIL标准);国内参照IEC标准、MIL标准和IPC标准也制定了相关规范标准,包括国标(GB)、国军标(GJB)、电子行业标准(SJ)、航天行业标准(QJ)等。

3.1.2 纳米涂层防腐技术

当材料的特征尺度降低到纳米尺度时,会因为小尺寸效应、量子效应、界面或表面效应等出现明显不同于宏观尺度材料的性质。把纳米技术与表面工程进行融合的纳米涂层防腐技术具有十分广泛的应用前途。

美国纳米材料公司于2000年产业化了第一个产品——纳米铝钛粉涂层粉体,供美国海军使用。有机—无机杂化纳米复合材料是常用的纳米涂料。XU等通过聚合和超声调节纳米结构,制成具有良好热稳定性、超疏水性和高透明度的涂层,在20～90 ℃涂层可保持超疏水性。纳米涂层对电子电路的防护效果不仅决定于涂料本身,而且决定于纳米涂层的形成方式。利用化学气相沉积(CVD)工艺的真空镀膜技术是一种固态涂覆技术,也是目前唯一适用于电路板的固态涂覆技术。STADLER等研究了磁场辅助CVD控制薄膜的微观结构。

常见的真空镀膜原理见图2。在真空镀膜过程中,固态纳米材料在真空蒸发炉中加热升华成气态,气态纳米材料沿着真空管道进入高温裂解炉中被分解成带自由基的活泼单体,带自由基的活跃单体沿着真空管道进入常温真空沉积室,在电子电路器件表面吸附、沉积、聚合成长链的高聚物,分子均匀一致地涂敷到电子器件腔体及表面。

图2 常见的真空镀膜原理

电子基材表面经物化反应生成的完全敷形的聚合物纳米涂层,具有厚度均匀、致密无孔、透明、无张力等特点,且对环境友好,能够防水(IPX7/8)、防潮(55 ℃、95% RH)、防霉(0级)、耐盐雾(5% NaCl,240 h)、耐高低温(-55～100 ℃)、防酸性气体、耐久性好,在力学性能、隔热性、耐辐射等方面优于三防漆,其介电常数是三防漆的4倍,水汽渗透率是三防漆的1%。但纳米涂层的工艺生产成本要远远高于三防漆,故适用于海洋环境下对关键电子设备的防护。

3.2 环境控制防护技术

环境控制防护技术主要通过改善区域(局部)环境,最大可能地控制对电子产品有局部腐蚀危害的环境因素如湿度、盐雾等,达到防护电子电气设备的目的,常见的环境控制防护技术包括内循环盐雾控制技术和气相缓蚀剂技术。

内循环盐雾控制技术通过改变电子电气设备运行的微环境,使其工作在恒温、低湿、低盐的大气微环境中,保持电子电气设备稳定运行。低纬度滨海地区湿热、盐雾、霉菌是影响电子电气设备的主要环境因素,金属的临界腐蚀湿度为60%～75%。当相对湿度为80%～95%、温度为25～30 ℃时,霉菌繁殖生长最为旺盛。综合调控微环境中温度、湿度、盐雾等因素能很好地保护电子电气设备,降温和除湿能有效降低氯离子与金属表面的电化学反应速率。CHEN等提出了盐雾沉降速率控制策略,其控制指标一般为:温度20～25 ℃、相对湿度30%～55%,盐雾控制技术是内循环盐雾控制技术的关键。

在以上内循环盐雾控制技术中,盐雾过滤技术成熟,成本相对低,因此较多应用于海洋电子设备间内。空气净化模块是内循环盐雾过滤技术的核心部件,其空气净化流程见图3。

图3 空气净化模块的净化原理

典型盐雾过滤技术通常由两部分构成,即滤芯和压差传感器。一般情况下粗效滤芯多用于过滤大颗粒盐分粒子与灰尘,高效滤芯则主要在过滤粒径在5 μm的盐粒子中应用。局部空间除湿技术是盐雾过滤技术的另一关键技术。图4为吸附式转轮除湿模块的原理图。该除湿模块采用吸附式转轮除湿,转轮加工成蜂巢状管道结构,以保证进入的潮湿空气能最大面积接触吸湿剂,达到吸附除湿的目的。盐雾过滤技术可配备智能控制系统,实时监控设备盐雾沉降量、进出口湿度、压差等试验参数,根据参数变化实现智能控制。近年国内海洋在通过控制温度、湿度等条件降低盐雾影响方面取得了较好效果。

图4 吸附式转轮除湿模块的原理图

4 小结

涂层防腐技术和环境控制防护技术能够较好地应对海洋电子电气装备的腐蚀问题。三防漆(胶)涂覆防护技术是印制线路板组件保护的传统常规技术,纳米涂层防腐体系在力学性能、隔热性、光学性能、介电常数等方面优于三防漆,但目前使用成本高。环境控制防护技术通过除湿、降温和盐雾滤除,使海洋中众多电子设备的工作环境得到很好的改善,成熟的气相缓蚀剂技术对海洋环境下密闭小空间放置的电子电气设备起到了很好的防腐蚀作用。

目前,海洋电子电气设备的腐蚀防护技术在世界范围内得到不同程度的应用,但对其使用效果的量化评估还有待完善,特别是国内的海洋,建议结合防护措施,对海洋环境中的典型电子电气设备开展服役微环境监测与评价。通过监测微环境中材料的腐蚀速率、环境温湿度、盐粒子浓度,对电子电气设备服役的微环境进行有效准确地评估,量化判定各项腐蚀防护技术的实际效果,并进行技术改进,提高电子电气设备运行的可靠性与服役寿命。