ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ, 2007, том 43, № 4, с. 381-389
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ МАТЕРИАЛОВ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И КОРРОЗИИ
УДК 621.3577
ОБ ЭЛЕКТРОКОРРОЗИИ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ СЕТИ
© 2007 г. А. А. Герасименко, А. Н. Михайлов
Институт физической химии и электрохимии им. А Н. Фрумкина РАН, 119991 Москва, Ленинский проспект, 31 E-mail: mar@ipc.rssi.ru Поступила в редакцию 10.10.2005 г.
Исследованы некоторые особенности коррозии током элементов конструкций радиоэлектронной сети. Описаны механизм явления, факторы течения процесса, его опасность и условия предотвращения.
PACS: 81.65.Kn, 82.45.Bb, 82.45.Qr
Известно, что протекание электрического тока между влажными металлическими поверхностями может вести к образованию токопроводя-щих дендритов и пленок. Особенности механизма такой коррозии до сих пор не вполне ясны. Между тем она чревата ухудшением работоспособности радиоэлектронного оборудования (РЭО) и возникновением отказов при эксплуатации сложных систем [1-5]. Существующие методы наблюдения за состояниям конструкций РЭО и реальная возможность увлажнения поверхности металлического проводника не позволяют с достаточной надежностью в системах предотвращать внезапные и перемежающие отказы* [6].
Целью исследования является частичное экспериментальное решение этой проблемы. Анализ влияния климатических факторов на интересующий нас процесс показал, что число отказов возрастает при эксплуатации РЭО в периоды повышенной относительной влажности воздуха и выпадения осадков. При этом отказы сопровождаются разрушением токопроводящих участков и металлизацией поверхности изоляционного материала между ними. На поверхности же токоведу-щих участков обнаруживаются продукты коррозии разрушенного металла [7-9].
Основными причинами возникновения коррозии являются: конструктивные недостатки узлов, допускающих проникновение влаги на поверхность проводника из атмосферы; неполнота удаления влаги из поступающего по системе кондиционирования охлажденного воздуха; суточные
* Внезапный - отказ, характеризуемый скачкообразным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта; перемежающийся - многократно возникающий и
самоустраняющийся на объекте одного и того же характера
колебания температуры воздуха даже при незначительных изменениях температуры и влажности наружного воздуха. Относительная влажность в замкнутых объемах внутри узлов РЭО существенно изменяется.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Замеры температурно-влажностных полей в замкнутых объемах узлов РЭО проводили шлей-фовым осциллографом К12-22 с помощью датчиков температуры, влажности и росы, соединенных с регистрирующим прибором через коммутационный блок.
Физическое моделирование коррозии элементов РЭО проводили в ячейке из полиметилмета-крилата с водным электролитом, подключая электроды к источнику постоянного тока. Электролитом вначале была дистиллированная вода. В качестве источника постоянного тока использовали стабилизированный блок питания Б5-49.
Ток коррозии определяли с помощью компенсационного самописца типа К 201, измерявшего падение напряжения на эталонном резисторе номиналом 1 кОм, включенном последовательно между электродом ячейки и блоком питания. Этим же прибором регистрировали интегральную характеристику коррозионного тока. Одновременно с помощью микроскопа МБС-2 и фотоаппарата "Зенит" с фотонасадкой наблюдали и фотографировали процессы, протекающие в ячейке на поверхности электродов и между ними.
Объектами исследования служили пластинки из платины, золота, серебра, меди, олова, свинца, висмута, алюминия и железа, т.е. практически все металлы, служащие основными материалами либо компонентами конструкционных материалов
Рис. 1. Изменение влажности (а) и температуры (б) в замкнутых объемах (1,2) и наружного (3) воздуха с работающим двигателем при включенном РЭО.
и защитных покрытий, применяемых в элементах конструкций РЭО. Состав продуктов коррозии определяли посредством электронного микроскопа "СатеЬах" и методом капельного микроанализа. Измеряли электрическое напряжение, площадь электродов и расстояние между ними. Величину коррозионного тока определяли с учетом состава электролита.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Об особенностях коррозии током. Повышение относительной влажности с ростом температуры свидетельствует об увеличении влагосодержания воздуха внутри изделия (рис. 1). Нарушение работоспособности РЭО из-за образования токопро-водящих пленок на поверхности печатных плат также связано с влажностью воздуха.
Количество узлов, в которых проявлялись ВПО, росло с числом дней месяца, когда относительная влажность атмосферного воздуха превышала 95% (рис. 2).
В ячейке определяющее влияние на процесс оказывал при электролизе материал электрода, соединенный с положительным полюсом источника тока (анод). По характеру протекания реакции на аноде исследованные металлы условно разделены на три особые группы: первая - серебро, медь, олово, свинец и висмут; вторая - алюминий и железо; третья - платина и золото. При по-
даче электрического напряжения на погруженные в электролит пластины начиналась их коррозия током. Общий вид графической зависимости "коррозионный ток - время" для металлов первой группы дан на рис. 3.
Сила коррозионного тока в момент подачи электрического напряжения зависит от этого напряжения, расстояния между проводниками, площади погруженных в электролит проводников и состава водного раствора. Проходящий через ячейку ток стимулирует растворение материала анода. В некоторых случаях при большой анодной плотности тока электролитически выделяется кислород, а на катоде идет выделение газообразного водорода.
Этим процессам соответствует участок (о-а) кривой 1 рис. 3. Коррозионный ток на этом участке может возрасти вследствие насыщения воды продуктами растворения анода. Дальнейший коррозионный процесс приводит к образованию в воде зон с различным рН. У анода локализуется зона с рН 5.. .7, у катода - с рН 10.. .12. Образование щелочной зоны у катода ведет к снижению коррозионного тока (участок а-б). Образующиеся малорастворимые гидроксиды, а затем и оксиды металлов тормозят процесс коррозии:
Ме«+ + «(ОН)- - Ме(ОН)и, Ме(ОН)и - МеОи/2 + «/2Н2О.
3
2 \
1
Т
Рис. 3. Изменение коррозионного тока (/к) во времени (Т) при КВТ металлов первой группы - серебро, медь, олово, свинец, висмут (1); второй группы - алюминий, железо (2); третьей группы - платина и золото (3). Участки кривых: о-а - появление в электролите продуктов коррозии анода; а-б - формирование щелочной зоны у катода, миграция к катоду продуктов анодного растворения и образование гидроксидов; б-в - насыщение электролита продуктами коррозии анода и их восстановление на катоде, зарождение дендритов; в-г, д-е, ж-и - образование токопроводя-щих дендритов между электродами; г-д, е-ж - локальное разрушение дендритов током короткого замыкания; и-к - высыхание электролита.
По мере накопления в межэлектродном пространстве продуктов растворения анода коррозионный ток увеличивается (участок б-в), - вследствие повышения проводимости электролита и восстановления продуктов коррозии на катоде:
пМе - Меп+ + пе (анод);
Меп+ + пе - Ме (катод).
Незначительная концентрация ионов металла в образовавшемся электролите в сочетании с высокой межэлектродной напряженностью электрического поля ведет к восстановлению металла на катоде в форме дендритов (рис. 4).
Химический, спектральный и рентгеноспек-тральный методы анализа показали, что дендриты состоят из частиц металлов и их оксидов, и имеют высоко интенсивно развитую поверхность.
Замыкание электродов дендритом резко усиливает ток (участки в-г, д-е, ж-и) вследствие относительно низкого электрического сопротивления дендрита. В результате такого "короткого замыкания" дендрит "перегорает", и ток снижается (участки г-д и е-ж). Такое скачкообразное изменение тока, вызванное формированием и разрушением дендритов, может продолжаться, пока сохраняются описанные условия.
Омический нагрев дендрита ведет к испарению воды. Ток коррозии снижается (участок и-к) до нуля при полном испарении влаги. Но на изоляторе оседает и остается пористый осадок. При
Рис. 4. Внешний вид дендритов меди, образовавшихся на катоде в электролитической ячейке, моделирующей коррозию током. Рост дендритов "а" в катодной зоне 1, растворение металла "б" в анодной зоне 11.
последующем увлажнении коррозионный ток возобновляется с увеличенной скоростью вследствие повышения проводимости влаги растворенными продуктами коррозии.
Эксперименты показали, что диаметр монокристаллического дендрита меди не превышает 0.5 мкм, а его электрическое сопротивление составляет около 10 Ом. Следовательно, при замыкании электродов одним дендритом ток в цепи может возрастать на несколько ампер. Описанная зависимость - Т) справедлива для металлов первой группы, способных растворяться на аноде и восстанавливаться на катоде, а в щелочной зоне образовывать малорастворимые гид-роксиды: АgОн, СиОН, Си(ОН)2 и другие.
Неустойчивый гидроксид серебра переходит в малорастворимый оксид:
2АgОН - Аg2О + Н2О.
Вследствие чего коррозионный ток, видимо, и снижается несколько во времени.
Металлы, способные растворяться на аноде и восстанавливаться на катоде, в щелочной зоне при-катодного пространства образуют хорошо растворимые соединения типа Меп О^ . Соответственно коррозионный ток в ходе процесса практически не снижается. Это относится к цинку, олову, свинцу и, частично, висмуту.
Иначе корродируют металлы второй группы (алюминий и железо). Они неспособны в рассматриваемых условиях восстанавливаться на катоде до металла, а значит образовывать дендриты. На их кривой 2 (рис. 3) отсутствуют резкие скачки (в-г, д-е, ж-и), а коррозионный ток стабилизируется при некотором предельном значении (участки г-д и е-ж).
/
А
о
Т, мин
Рис. 5. Зависимость "ток-время" при коррозии током для различных металлов: 1 - серебро, 2 - палладий, 3 - золото, 4 - олово, 5 - магний, 6 - кадмий, 7 - латунь и 8 - алюминий.
Платина и золото в дистиллированной воде под действием тока практически не корродируют. Ток ячейки обусловлен толь
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.