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【Gene思書齋】鏽色可餐的一時之「鏽」

Gene Ng_96
・2018/03/16 ・2232字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

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自從人類開始懂得使用各種金屬,文明的進程就無往不利,只是有個非常令人討厭的問題,那就是大家熟悉的各種金屬鏽蝕。除了金,常用的銀、銅、鐵都會生鏽,尤其是鐵鏽,迄今仍是個令人頭痛的問題,不僅不美觀甚至還會危險。

人類為了防鏽和除鏽,想盡各種辦法。我親戚的公司代理某知名廠牌防鏽除鏽產品,據說是他們公司最賺錢的商品之一,不僅利潤暴高,在經濟景氣時,只要業績達標,廠商是 XO 美酒一箱箱送,塞過來的出國旅遊套票應接不暇……

生鏽令人討厭,我們的文明無所不用其極地避免鏽蝕,直到讀了《鏽:自然與金屬間無止境的角力》Rust: The Longest War)這本生動有趣的科普好書,才知道鏽除了無所不在,背後還有許多不為人知的內幕。對於這種討人厭的東西,作者沃爾德曼(Jonathan Waldman),用一則又一則精彩的故事說明鏽蝕的各種面向。

緩慢蠶食的鏽蝕

鏽蝕,不像颱風、地震、火山爆發等其他天災,瞬間就有巨大的破壞力,而是陰險狡猾地蠶食,是種慢性病。鏽蝕,在美國一年造成的經濟損失高達四千多億美金,差不多是 GDP 的百分之三。

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沃爾德曼對鏽蝕有切身之痛--他的一艘船因為生鏽而接近報銷,這本書大爆鏽蝕的料,不知能否從版稅中賺點錢回來?例如在第一章,他說了個離奇的故事,提到有人攀爬紐約的自由女神像,這場鬧劇乍看之下和書的主題無關,我差點懷疑是不是出版商弄錯內容,但讀下去才知道原來他在舖梗。

在追捕攀爬的抗議者過程中,美國國家公園管理單位發現,自由女神像原來已是風中殘燭。除了法國不支持伊拉克戰爭、美國人想把她還給法國人的那段時期,自由女神像一直是美國最受歡迎的觀光景點,沒想到因為無知和疏忽,自由女神像也飽受鏽蝕的折磨--因為法國人原來已經想出防止自由女神像鏽蝕的方法,但美國人在不知情的情況下胡搞,把法國大餐變成美國速食……

法國人老早想到幫自由女神像防鏽,但美國人的無知竟讓它風中殘燭。圖/By Ana Paula Hirama @ flickr, CC BY-SA 2.0

防鏽的諸多絕招

我有些朋友在美國會下雪的州、尤其是五湖區讀過書,他們表示在那些州買二手車是個令人非常頭痛的問題,因為為了融雪,各地市府常在傷口……哦不……道路上灑鹽融雪,所以汽車底盤會被鹽水鏽蝕。不僅汽車底盤壽命因而縮短,橋樑的鋼骨也是。上漆是防鏽絕招,而另外一種方法,是鍍鋅。

沃爾德曼訪問鍍鋅協會,指出美國有許多橋樑鋼骨原本可以用鍍鋅法延長壽命,不過在美國鍍鋅防鏽法沒有像歐洲那麼通用和流行(或許美國人認為更換那些鏽鐵也是刺激消費的方法之一);國際化自由貿易當道後,美國出現一個著名的「鏽帶」,那是位於美國東北部等地區的地帶,過去有鼎盛的鋼鐵製造業,但產業出走後,留下一座座充滿鏽斑的大型工廠,沃爾德曼在書中特別帶我們跟隨一位能看出鏽之美的女攝影師 Alyssha Eve Csük 到那些廢棄工廠探險,探尋鐵鏽的各種美。

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除了大家熟知的鐵鏽和銅鏽,《鏽》裡最令人大開眼界的是,沃爾德曼還為了寫這本書去上罐頭學校,發現鋁罐的防鏽蝕原來超不簡單。我們的生活中常常能接觸裝了各種飲料的鋁罐,可是從來沒想過,不同飲料原來要有不同的環氧樹脂內塗膜(有超過一萬五千種配方可選),否則高腐蝕性的汽水會讓鋁罐爆炸,威力僅次 Note 7(!?)

在北美一年差不多消耗上千億個鋁罐,還好鋁罐的良率一般有 99.998%,五萬個鋁罐中才會有一個會爆。鋁罐的製造,原來要有大量的研發和設計,還有精密的加工技術。採訪過程中,沃爾德曼進入飲料罐頭學校的計劃,差點被年產量超過六千億個鋁罐的波爾公司高層阻止,他冒死潛入後被抓包,後來連食品罐頭學校也上不了,所以沒能發掘出更多精彩的內幕。

鋁罐的製造,原來要有大量的研發和設計,還有精密的加工技術,看起來不起眼的鋁罐可是集許多高科技於一身呢!圖/By Barta IV @ flickr, CC BY 2.0

用高科技偵測鏽蝕

偵測鏽蝕也要出動高科技:身價好幾百萬美金的「小豬」(PIG),專門用來偵測阿拉斯加油管的鏽蝕問題。小豬應用各種科技穿梭在油管裡,使用磁傳感器檢測腐蝕和其它不規則性的凹坑。沃爾德曼和工程師一起鬼混,探究小豬執行任務時遇到的各種疑難雜症,故事非常精彩,令人印象深刻。以下就是其中一種「聰明小豬」:

《鏽》指出,美國大約有一萬五千位正面迎戰鏽蝕的鏽蝕工程師,軍方也能因為防鏽蝕得當,節省上千億美金支出,不過沃爾德曼也指出,防鏽不僅是個科技與工程的問題,也是個組織文化的問題。

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《鏽》裡的故事實在一個比一個精彩,我興味盎然地一口氣讀完。這是沃爾德曼的處女作,所以偶爾會出現把一些和主題無關的人物生平寫得稍微囉嗦的狀況,可是瑕不掩瑜,我非常期待沃爾德曼的下一本書!

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene

文章難易度
Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 30 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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為何電子元件已經做了塗膠防護處理,仍會發生腐蝕甚至導致產品失效?
宜特科技_96
・2023/12/22 ・5635字 ・閱讀時間約 11 分鐘

電子元件發生腐蝕
圖/宜特科技

像電動車、充電樁使用於車用、工業用與戶外級別的電子產品,因應使用環境電子元件都需要採用三防膠塗佈保護,才能防止污染、腐蝕等問題。但為什麼,產品即便已經做了塗膠防護處理,仍會發生硫化腐蝕最終導致故障呢?原因可能就出在「膠」選得不對!

本文轉載自宜特小學堂〈為何已採用三防膠塗佈的電子產品,仍然發生硫化腐蝕失效〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

選對三防膠材材有效 影片
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近年來,伴隨環保概念提升與綠能意識抬頭,燃油類設備機具減少、電子產品數量增加,生活中最常見的就是電動車和充電樁變得越來越多。由於這類電子硬體設備會長期待在室外環境,加上日趨嚴重的空氣污染威脅,腐蝕性氣體、水分、污染物、懸浮微粒會直接或間接地造成產品中的元件生鏽或腐蝕,就會發生故障影響產品的使用壽命。而三防膠就是為了加強保護電子元件、延長設備壽命、確保安全性與可靠性所誕生的一種塗料。

一、 什麼是三防膠(Conformal Coating)?哪些產品特別需要使用三防膠?

有三防膠塗佈的電路板。圖/百度百科

三防膠又稱三防漆,跟大家概念中的膠或是漆有點像,它是常用於電路板上的一種特殊塗料。三防膠具有良好的耐高低溫特性,經由三防膠塗佈的電路板會產生一層「透明聚合物薄膜」,就能維持電路板外形並保護好電子元件,達到「防濕氣」、「防污」、「防腐蝕」的效果,因此才被稱為「三防」膠。

前面有談到,因應全球環境變化,電子產品卻越來越多元、越來越精密的條件下,現代電子硬體設備不僅擁有高性能,還需要具備抵抗惡劣環境的能力,像是應用在工業、車用、航太、戶外級別的電子產品,例如:資料中心、工業電腦、電動車、儲能站與低軌衛星等等……。

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這些產品比起一般家電的使用環境更加嚴苛,尤其在面對含硫化氣體污染高的環境,特別容易造成「硫化腐蝕現象」,因此在製程中,電子元件必須做好三防膠塗佈處理、提升產品可靠度是非常重要的事。

什麼是「硫化腐蝕」跟「爬行腐蝕」?

硫化腐蝕(Sulfur Corrosion):當空氣污染物中含有豐富的硫化合物,會導致許多工業器件上各種金屬與合金材料的表面產生嚴重的腐蝕現象,若伴隨其他氣體污染物的存在,會導致氣體協同效應進而產生不同硫化腐蝕的特徵與機理。富含硫的氣體,如硫化氫(H2S)、環八硫(S8)與二氧化硫(SO2)就是一般常見造成電子設備發生硫化腐蝕的氣體。

爬行腐蝕(Creep corrosion):爬行腐蝕是屬於硫化腐蝕其中一種的失效機理,典型的案例在印刷電路板與導線架封裝元件最為常見。由於裸露的金屬銅接觸到環境中硫化物的腐蝕性氣體,會進行反應生成硫化亞銅(Cu2S)的腐蝕產物,一旦電子產品表面清潔度不佳或環境有氯氣存在時,其固體腐蝕物將會沿著電路與阻焊層/封裝材料表面遷移生長的過程,導致相鄰焊盤和電路間的電氣短路失效現象,我們稱之為爬行腐蝕的失效模式。

印刷電路的爬行腐蝕
印刷電路的爬行腐蝕。圖/Barry Hindin, Ph.D, Battelle Columbus Operations
導線架封裝元件的爬行腐蝕
導線架封裝元件的爬行腐蝕。圖/Dr. P. Zhao, University of Maryland

當電子產品發生硫化腐蝕,會導致設備發生短路或開路的故障風險,像發生在印刷電路板或導線架封裝的爬行腐蝕(下圖一、圖二、圖三),或是表面貼裝被動元件的硫化腐蝕(下圖四),都是十分常見的案例。

電路板發生爬行腐蝕及硫化腐蝕失效的照片
(1)與(2)為印刷電路板的爬行腐蝕失效,(3)為導線架封裝的爬行腐蝕失效,(4)為表面貼裝晶片電阻的硫化腐蝕特徵照片。圖/宜特科技

二、 電子產品該選擇哪種方式做防護處理?

為了有效地隔絕惡劣環境對電子設備的影響,除了前面提過三防膠(Conformal Coating)的處理手法,一般也會採用灌封(Potting)來處理。下表是灌封與三防膠的差異比較。

方法灌封三防膠
保護性中-優
加工與
重工性
劣(氣泡殘留、重工困難)
品管檢驗劣(外觀不可視)優(外觀可視)
應用性劣(侷限)優(輕薄)
環保
範例
圖/Epoxyset Inc.
圖/Charged EVs
灌封與三防膠處理方法之比較。表/宜特科技

雖然灌封比三防膠保護性更好,但並非所有電子元件都能用灌封處理,灌封在作業前必須考量電子元件,會因為加工的熱應力、固化收縮應力、氣泡殘留等等產生影響,也要評估較多的產品設計條件,包括:尺寸、外殼、重量、熱管理、加工、重工、檢驗、成本與環保等因素,才能確認該產品是否適合做灌封處理。

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而三防膠的加工快速、重工容易與成本較低的優點,既可以提升產品抗腐蝕的能力,又可維持印刷電路板的外形而不影響後續的組裝作業,可以說三防膠的泛用性會比灌封來得更高。

所以當電子設備需要在惡劣的環境運作,或是終端電子設備發生腐蝕失效時,三防膠通常是組裝、系統廠商針對電子產品腐蝕的問題會優先採用的方案,廠商可以直接管控三防膠塗佈製程的品質,能夠針對終端客戶退回產品時進行立即性的改善作業。

三、 原來三防膠有很多種?

目前三防膠的種類主要可分為八大類,包含:Silicone Resin(SR)、Acrylic(AR)、Polyurethane(UR)、Epoxy(ER)、Paraxylylene(XY)、Fluorine-carbon resin(FC)、Ultra-Thin Coatings(UT)與 Styrene Block Co-Polymer(SC)。一般三防膠的種類可依照材質區分種類,然而混合型的三防膠材則是以重量百分比佔高的材質為主,如果三防膠的厚度 ≤12.5um ,膠材將不受材料種類的拘限都被歸類於 UT 型。每一種三防膠都有不同的特性,常見的評估項目有厚度、黏著性、耐溫性、抗化學性、防潮性、加工與重工性、普遍性、疏孔性、耐鹽霧腐蝕性、表面絕緣電阻程度與成本高低等。

四、 為何已經採用三防膠塗佈的電子產品仍發生了硫化腐蝕失效,原因竟是國際規範不足?

一般業界針對三防膠的國際規範,大多是參照國際電子工業聯接協會(Association Connecting Electronics Industries;IPC) 所制定的試驗標準 – IPC-HDBK-830A、IPC-CC-830C 與 IPC-J-STD-001F。這幾項標準都是一般常見於三防膠相關的國際規範,它們定義了三防膠的設計、選擇與應用的準則,用於焊接電氣和電子組件要求,以及用於印製線路組件用電氣絕緣化合物的鑑定及性能。

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常見三防膠相關的國際規範
一般常見三防膠相關的國際規範。圖/IPC-HDBK-830A, IPC-CC830C and IPC-J-STD-001F

而針對三防膠的驗證項目,包括了:種類、厚度、均勻性、缺陷、重工、應用、耐溫溼度環境、耐鹽霧、表面絕緣電阻等。其它與三防膠有關的標準還有 IPC-A-610H、IEC-1086-2、MIL-I-46058C、MIL-STD-202H、Method 106、NASA-STD-8739.1、BS5917、UL94、UL746F 與 SJ 20671……許多的國際規範。

然而在眾多三防膠國際規範的耐腐蝕性項目評估中,卻獨缺了「腐蝕性氣體的試驗」,尤其是在含硫與其化合物相關的腐蝕性氣體。因此,一旦產品的使用環境含有硫或硫化合物相關的腐蝕性氣體,即使電子設備已採用三防膠塗佈,仍會發生硫化腐蝕失效的問題。

此外,電子設備中也不是所有組件皆可以採用三防膠的塗佈,由於膠材具備絕緣的特性,一般均無法塗佈於電性連接、電器接點處,例如:金手指、插槽與連結器等。下圖是有採用與未採用三防膠塗佈的導線架封裝晶片發生與未發生硫化腐蝕的照片。

未採用三防膠塗佈採用三防膠塗佈採用三防膠塗佈
導線架發生嚴重的硫化腐蝕膠材的抗硫化腐蝕能力不足製程的缺陷(氣泡)導致保護不足
導線架發生嚴重的硫化腐蝕膠材的抗硫化腐蝕能力不足製程的缺陷(氣泡)導致保護不足
導線架發生嚴重的硫化腐蝕膠材的抗硫化腐蝕能力優異膠材的抗硫化腐蝕能力優異
導線架發生嚴重的硫化腐蝕膠材的抗硫化腐蝕能力優異未採用三防膠塗佈
採用與未採用三防膠塗佈的導線架封裝晶片發生與未發生硫化腐蝕的照片。圖/宜特科技

五、 不是有塗或是夠厚就好,透過驗證平台選擇出正確的三防膠材才有效!

透過上述的說明可以了解,如果只是按照規範去選擇三防膠材後進行塗佈,可能會遺漏腐蝕性氣體或是其他因素的影響,無法讓產品獲得最完善的保護。為了解決窘境,宜特科技所提供的硫化腐蝕驗證平台,可以協助廠商選擇正確的三防膠材,並針對各種採用三防膠塗佈的電子產品,評估產品抗硫化腐蝕的能力並進行壽命驗證。

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透過宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台評估各種三防膠材搭配不同厚度在硫化腐蝕試驗的耐受性
透過宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台評估各種三防膠材搭配不同厚度在硫化腐蝕試驗的耐受性。
圖/Source: Dem Lee…Et al.,“Evaluation of the Anti-Sulfur Corrosion Capacity for Chip Resistor and Conformal Coating by Way of Flower-of-Sulfur(FoS)Methodology”, International Microsystems, Packaging Assembly and Circuits Technology Conference 2018, Section 28, 2018.

上圖為透過宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台,評估各種三防膠材搭配不同厚度條件在硫化腐蝕試驗的耐受性。其中未經三防膠塗佈的抗硫化晶片電阻樣本(黑色),經歷 25 天的試驗後發生失效,但塗佈膠材 C(綠色)與膠材 D(藍色)的樣本,僅僅經歷 5 到 10 天的試驗就發生了失效。

由此可證,並非所有三防膠材都有具備抗硫化腐蝕的能力,抗腐蝕能力主要取決於膠材本身的材料特性,某些特定膠材非常容易吸附含硫與其化合物相關的腐蝕性氣體,即使提高厚度,也無法有效降低硫化腐蝕的發生,即便電子零件本身有做抗硫化腐蝕的設計,一旦選擇不合適的膠材,反而會加速電子產品發生硫化腐蝕失效的風險。

下表是採用相同樣本搭配不同的三防膠材,經硫化腐蝕試驗後,進行橫切面的掃描式電子顯微鏡分析之比較。可以看到,雖然膠材 B 的塗佈厚度比膠材 A 更厚,但是膠材 B 抗硫化腐蝕的能力卻更差。

三防膠膠材 A膠材 B
厚度<30um>100um
電子顯微鏡照片三防膠材A三防膠材B
抗硫化腐蝕的能力
採用相同樣本搭配不同三防膠材料塗佈經硫化腐蝕試驗後進行橫切面的掃描式電子顯微鏡分析之比較。圖/宜特科技

藉由宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台,不但可以協助選擇正確的膠材,亦可針對採用各種三防膠塗佈的電子產品,依照國際規範標準,並以實際終端環境的腐蝕程度搭配模擬使用年限,透過上述客製化的實驗設計,能夠協助廠商評估產品抵抗硫化腐蝕的壽命驗證。

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本文出自 www.istgroup.com。

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