Korozja pełzająca spowodowana zanieczyszczeniem solami chlorkowymi i azotanowymi
Ze względu na regulacje Unii Europejskiej (UE) dotyczące dyrektywy RoHS (Restriction of Hazardous Substances), przemysł PCB jest zmuszony przejść na alternatywne materiały wykończeniowe, takie jak srebro immersyjne (ImAg), środki organiczne (Organic Solderability Preservatives, OSP) i związki złota i niklu (Immersion Gold on Electroless Nickel, ENIG). Spośród tych opcji, ImAg zyskał szerokie zastosowanie ze względu na opłacalność, dobrą lutowność i przewodność elektryczną. Jednak powierzchnia ImAg jest podatna na korozję wywoływaną przez siarkę obecną w atmosferze.
Chociaż techniki zapobiegania korozji i jej ograniczania poczyniły znaczne postępy, komponenty elektroniczne nadal ulegają awariom, szczególnie z powodu pro-korozyjnego otoczenia. Jednym z najczęstszych rodzajów awarii jest korozja pełzająca, która występuje w środowiskach agresywnych. Przeprowadzono szereg badań, których celem było ustalenie mechanizmu korozji pełzającej. Dzięki tym badaniom udało się rozpoznać dwa oddzielne etapy: po pierwsze, korozja odsłoniętej miedzi i srebra zachodzi z powodu obecności zanieczyszczeń i wilgoci. Po drugie, produkty korozji (głównie CuSx) rozprzestrzeniają się na całej powierzchni PCB, co może ostatecznie doprowadzić do zwarcia z pobliskimi elementami.
Oprócz podstawowego mechanizmu korozji pełzającej zasugerowano wiele innych zmiennych, które mogłyby sprzyjać korozji pełzającej Cu i Ag. Na przykład korozja Cu jest silnie zależna od wilgotności względnej (RH) i stężenia gazów zawierających siarkę, takich jak H2S i SO2. Mieszanina gazu NO2 i H2S wykazała synergistyczny wpływ na korozję Ag. Również Cl2 może przyspieszać korozję Ag, chociaż wpływ Cl2 na korozję Ag nie został jeszcze w pełni poznany.
Oprócz gazów korozyjnych, korozji pełzającej sprzyjają też zanieczyszczenia pochodzące z topników na bazie kwasów organicznych. Sugeruje to, że korozja pełzająca jest wysoce wrażliwa zarówno na właściwości chemiczne powierzchni, jak i czynniki środowiskowe. W szczególności, problem ten dotyczy regionów położonych w bezpośredniej bliskości morza, charakteryzujących się wysoką wilgotnością przez cały rok, co ułatwia osadzanie się różnych soli, takich jak chlorki i azotany. Chociaż wpływ zanieczyszczenia solą był dobrze znany, odtworzenie równomiernego rozkładu soli i uzyskanie spójnych wyników było trudne ze względu na hydrofobowy charakter powłoki maski lutowniczej na PCB.
Omawiany artykuł ‘Influence of Salt Contamination and RH on Creep Corrosion of Immersion Silver (ImAg)’ bada prawdopodobieństwo wystąpienia korozji pełzającej spowodowanej zanieczyszczeniem solami chlorkowymi i azotanowymi w obecności wilgoci. Wykazano, że równomierny rozkład soli można uzyskać dzięki zastosowaniu surfaktantów, co prowadzi do równomiernego rozmieszczenia korozji pełzającej na całej płytce ImAg. W ten sposób udało się uwypuklić synergistyczne efekty stężenia soli i wilgotności względnej.
W przeprowadzonym przez autorów z Nokia Bell Labs eksperymencie zastosowano specjalnie zaprojektowane płytki wykończone ImAg. Sole użyte w tym badaniu obejmowały CuCl₂ (dwuwodny chlorek miedzi), CaCl₂ (chlorek wapnia), Cu(NO3)₂ (trójwodny azotan miedzi) i Ca(NO3)₂ (czterowodorek azotanu wapnia).
W badaniach udowodniono, że korozja pełzająca silnie zależy od rodzaju obecnej soli. Ogólnie rzecz biorąc, sole chlorkowe (CuCl2, CaCl2) znacznie przyspieszały korozję pełzającą w porównaniu z solami azotanowymi (Cu(NO3)2, Ca(NO3)2). Korozja pełzająca wykazała silną zależność od chlorków w środowisku o wyższej wilgotności względnej. Szczególnie w testach MFG (w mieszaninach gazu) przy wilgotności względnej 70% i 40% przy zastosowaniu soli 50 µg/in2, CuCl2 i CaCl2 wykazały poważną korozję pełzającą, podczas gdy Cu(NO3)2 i Ca(NO3)2 wytworzyły bardzo niewielką korozję pełzającą.
Obecność chlorków powoduje też, że powierzchnia staje się podatna na pełzanie, która wspomaga tworzenie się i rozprzestrzenianie produktów korozji, głównie siarczku miedzi, podczas gdy sole azotanowe nie wspomagają zjawiska rozprzestrzeniania się korozji. Stwierdzono, że awaria układu spowodowana korozją pełzającą jest o wiele bardziej prawdopodobna w przypadku soli chlorkowej bardziej niż w przypadku soli azotanowej.
Oprócz zależności korozji pełzającej od rodzaju soli, na korozję pełzającą silnie wpływa też stężenie soli. Na przykład, w identycznym środowisku MFG, zastosowanie soli o stężeniu 50 µg/cal2 i 5 µg/cal2 wykazało znacząco różne wyniki korozji pełzającej. Niewątpliwie w silnie zanieczyszczonym środowisku układ będzie bardziej podatny na awarie spowodowaną korozją pełzającą. W przypadku braku zanieczyszczenia solą, sama wilgotność względna nie jest parametrem krytycznym dla korozji pełzającej, chyba że wystąpi kondensacja. Jednak gdy płytka ImAg zostanie zanieczyszczona pozostałościami soli lub wytrąci się osad, staje się ona znacznie bardziej wrażliwa na wilgotność względną. Obecność pozostałości soli oznacza powierzchnię sprzyjającą korozji pełzającej, a wówczas wyższa wilgotność względna powoduje większą korozję pełzającą. Powodem, dla którego wyższa wilgotność względna sprzyja większej korozji pełzającej, jest rozpuszczanie się pozostałości soli.
Źródło: 'Influence of Salt Contamination and RH on Creep Corrosion of Immersion Silver (ImAg)' Donghyun Kim, Ph.D., Chen Xu, Ph.D. © Nokia Bell Labs
Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 19 marca 2026. Zapisz się tutaj!
