4.2 大气中腐蚀性元素和气体对电子装备可靠性的影响

4.2.1 大气中腐蚀性元素和气体的种类及其容许的浓度

作为促进电子设备腐蚀的元素和气体，被列举的有SO2、NO2、H2S、O2、HCl、Cl2、NH3等。这些气体对某些金属和绝缘材料危害很大，例如，S对Cu等表面所形成的爬行腐蚀。在工业上腐蚀性气体成分的室内浓度、蓄积速度、发生源、影响和容易受影响的材料及容许浓度等，如表4.1所示。上述被列举的气体一旦溶入水中，就容易形成腐蚀性的酸或盐。

注：※表示美国6个场所的空调大型计算机室内1.5年间的数据；

※※表示在日本东京地区内暴露6个月。

（1）SO2：单纯的SO2是导致Cu、Ni等金属腐蚀的主要因素，是否可以导致爬行腐蚀，目前还没有明确结论。

（2）H2S：H2S是可以导致爬行腐蚀的，这已被大量的案例和实验证明。对于电子产品来说，环境硫化氢的浓度最高不能超过3μg/m3。

（3）Cl2：Cl2能导致爬行腐蚀，爬行腐蚀的潜伏期和爬行距离取决于Cl2的浓度，爬行的倾向与湿度直接相关。Haynes研究了在不同气氛中的实验表明，爬行腐蚀（以腐蚀产物的厚度和爬行距离表征）程度有以下排序：

（高Cl2-高H2S）＞（高Cl2-低H2S）＞（低Cl2-高H2S）

这似乎也从侧面说明了氯气的确有加速爬行腐蚀的作用。

（4）NO2：NO2对铜、银的腐蚀影响不明显，但NO2对于银的腐蚀有加速作用。电子产品所处的环境不同，大气中腐蚀性元素和气体可分：

① 大气腐蚀：如S元素等对Cu金属的爬行腐蚀，Ag离子的迁移等；

② 在天然水中的腐蚀。

4.2.2 大气腐蚀

大气腐蚀又可分为：

（1）濡湿腐蚀或者水直接降到零件上所产生的腐蚀，或者金属表面在相对湿度接近于100%RH条件下的腐蚀；

（2）潮湿腐蚀是由于湿气在零件上凝聚而在零件上形成的电解质层下产生的腐蚀（这时空气相对湿度小于100%RH），而腐蚀是在薄薄的看不见的水层——电解质层下进行的；

（3）干腐蚀，即零件上无湿气凝聚的腐蚀。

潮湿的大气腐蚀速度比干燥的大气腐蚀速度快。在潮湿大气腐蚀的条件下，金属表面会形成电解质薄膜。因为在大气中，水膜几乎多多少少都含有溶解了的盐类或酸类。这种大气腐蚀与金属腐蚀及金属完全浸入电解质时的电解腐蚀的情况类似，并且与局部的微量元素的作用有关。

潮湿腐蚀的历程是从形成薄膜的湿气层开始的，而湿气层的形成则与金属表面的吸附力有关。如果发生凝聚作用的材料与水发生相互作用或者产生水化合物，则已被吸附的凝聚水会进一步发展变为化学的凝聚。除此之外，金属表面的间隙和氧化膜的气孔里面，经常都会存在微毛细管状的水分凝聚中心。这些间隙和气孔即使在相对湿度小于100%RH的条件下，也能助长水分在这些材料中凝聚。

干燥的大气腐蚀是借助于在金属表面氧化膜的增长而透入的，并且可以解释为金属的离子和来自金属的电子是由一个方向通过薄膜。

大气，尤其是在工业企业附近的大气，除含有盐类之外，还经常含有活性气体，如SO2、 Cl2、H2S、NH3等。对金属结构来说，最危险的大气污染是SO2。含SO2的大气扩散时，腐蚀就会形成一些肉眼能见到的、厚度很厚的薄膜（400Å），并在金属上产生氧化色泽或产生发暗黑的表面，如S对Cu的爬行腐蚀。

SO2在潮湿大气条件下的金属表面所形成的水膜中溶解，会提高薄膜的酸度和导电性，从而加速腐蚀。SO2能被铁锈所吸收，并加速钢的腐蚀。

大气腐蚀的速度在很大程度上取决于大气的成分和湿度，也就是说，取决于产品所处的地点。各种金属大气腐蚀的一般定量测定结果如表4.2所示。

在开始阶段，影响腐蚀的不仅仅是周围环境的湿度，而且还有落在金属表面的污物。如果腐蚀已经开始，并且金属表面存在着污垢，周围空气所含的湿度对腐蚀的发展来说，就有着决定性的影响。这时在温度剧变（结露）的条件下，就造成了腐蚀的良好条件。每天早晨金属结构的温度低于空气温度，故在金属结构上就凝聚水分。安装在露天的设备，其零件的破坏机理应该看做大气降水（雨、雪、旋涡潮湿气流）的冲击作用、大气污染和所使用金属材料的化学电极电位等综合作用的结果。

4.2.3 在天然水介质中的腐蚀

设备在使用过程中常常会短期浸水，特别是当设备的温度大大高于水的温度时，这种浸水的条件最严酷。设备内部的空气迅速冷却和压缩，使设备内部产生低压力。在压力差的作用下，水就迅速地渗透到设备内部，并润湿其各个部分。当干燥时，溶解于水中的盐类、无机物和有机物就沉淀在零件上。

材料在水中的腐蚀速度取决于水的成分和物理性能、经常存在于水中的植物性和动物性的有机体、水的流动性、产品周期地或恒定地润湿等。

铁在软水中比在硬水中腐蚀得更厉害。部分的大气降水，即使在严重污染的大气条件下，也能延缓铁的大气腐蚀。这是由于它将腐蚀物中的侵蚀成分洗掉了。对其他一些金属来说，由于雨水溶解并侵蚀了腐蚀物上已形成的保护层，因而这些金属的腐蚀加速了。

当雪融化时，接触到雪的材料会加速腐蚀，这是由于材料上污垢的含量增加的缘故。

海水的温度高能促使腐蚀速度加快；置于露天下的航海用仪表的外部零件的腐蚀过程，是由于金属温度昼夜剧烈变化时，在金属表面凝聚着水滴，并黏附着非常微小的悬浮在空气中的含尘水滴而引起的。水滴中饱含盐分，水膜每次蒸发，都在金属表面留下一些盐粒。在电解质吸附层下面或者在水滴下面的电化学腐蚀过程，由于不断地与氧接触而进行得极其猛烈。残留在金属表面上的盐类晶体交替地干燥和润湿会加剧腐蚀。

浸在海水中的钢和铁的腐蚀速度的快慢取决于水中的含盐量的大小。各种黄铜完全浸在海水中时，特性最好的是含65%～85%的铜合金。含锡的铜合金（青铜）能良好地抗御海水侵蚀。铜镍合金的耐腐蚀性大体上与镍的含量成正比。

4.2.4 接触腐蚀

在潮湿的气候下，特别是在热带地区，金属电气接触时的电化学腐蚀具有特别的意义。当金属相互接触时，其表面会受到腐蚀的损害，这在电子设备中是很多的。

不同的金属在潮湿大气条件下接触时，会形成许多微温差电偶。一种金属成为阳极，湿膜就成为电解质，而另一种金属则成为阴极。金属与金属之间在电化序上距离越远，也就是说，金属与金属之间的电位差越大，接触腐蚀的可能性就越大。电化电位接近的金属，可以相互接触使用。容许的和不容许的金属偶如表4.3所示。

注：+表示容许的金属偶；-表示不容许的金属偶。

腐蚀的效果也取决于较贵重的金属（阴极）的面积与不太贵重的金属（阳极）的面积之比。较贵重的金属的面积应该力求小。在钢片上使用铜铆钉比在铜片上使用钢铆钉好得多。

在接触连接部分中，固定的钎焊和焊接点很少受到腐蚀。也就是说，以机械方法形成的接点会受到腐蚀，但其腐蚀程度比用来周期断开与接通的断路接点的腐蚀程度轻。

4.2.5 离子迁移现象的机理及其对可靠性的危害

此现象将在第5章进行专题介绍，此处从略。