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？

工業、車用、戶外級別的電子產品需要採用三防膠塗佈，但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？
本篇將分享宜特如何利用硫化腐蝕驗證平台協助客戶選擇正確的膠材。

所謂三防膠又稱三防漆，亦可稱為敷形塗層，其是泛指印刷電路板上的透明聚合物薄膜，其目的為維持印刷電路板的外形，並且保護印刷電路板上的電子元件進而達到防濕氣、防塵、防化學物質的效果。當電子設備需要在惡劣的環境運作時，選擇三防膠的塗佈通常是組裝、系統等廠商普遍採用的解決方案。本期的宜特小學堂，將介紹電子產品腐蝕的解決方案-三防膠，並剖析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？

一、為何工業、車用、戶外級別的電子產品需要採用三防膠塗佈？

近年來由於人工智慧（AI）、5G、大數據（Big Data）、物聯網（IoT）、邊緣運算（Edge Computing）、高效能運算（High Performance Computing）、電動車（Electric Vehicle）、綠電（Green Energy）與儲能（Energy Storage）的廣泛應用，讓電子產品的使用越來越多。因此電子產品的硬體設備可靠度能力也越來越受到業界所重視。而在全球日趨嚴重的空氣污染威脅下，無論是在室內或是室外的空氣品質，也都將會直接或間接地影響電子產品的使用壽命。一般來說，這些電子產品易受到環境中的腐蝕性氣體、水分、鹽分、汙染物、和懸浮微粒的影響，尤其是在含硫化氣體污染高的環境。

一般電子產品的硫化腐蝕，恐導致設備電氣短路與開路的故障風險，例如：印刷電路板/導線架封裝的爬行腐蝕與表面貼裝被動元件的硫化腐蝕。圖一顯示了印刷電路板/導線架封裝的爬行腐蝕與表面貼裝晶片電阻的硫化腐蝕特徵照片。因此，下一代電子設備不僅需要高性能，還需足以有效抵抗惡劣環境的能力，尤其是應用於工業、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、充電樁、儲能站與低軌衛星。

▲圖一：（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，而（4）為表面貼裝晶片電阻的硫化腐蝕特徵照片。（Source；iST 宜特科技實驗室）

為了有效地阻隔絕惡劣環境對電子設備的影響，一般會採用灌封（Potting）或三防膠（Conformal Coating）的處理方式。然而並非所有電子元件皆能採用灌封處理，同時需考量灌封作業時施予電子元件的固化收縮應力、熱應力、氣泡殘留的影響與其產品根本的設計條件，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。而三防膠是一種特殊配方的塗料，主要用於保護線路板及其相關設備免受壞境的侵蝕，從而提高並延長它們的使用壽命，確保使用的安全性和可靠性。

由於三防膠的加工快速、重工容易與成本較低的優勢，且其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。因此當電子設備需要在惡劣的環境運作抑或是終端電子設備發生腐蝕失效時，三防膠的塗佈通常是組裝、系統廠商針對電子產品腐蝕的問題所採用解決方案。如此可直接於廠內管控三防膠塗佈製程的品質亦可針對終端客戶退回產品進行立即性的改善作業。表一為灌封與三防膠處理方法之比較。

▲表一：灌封與三防膠處理方法之比較。（Source：宜特科技）

二、又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？三防膠國際規範的不足之處在哪?

一般業界針對三防膠的國際規範，大多參照於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。圖二為一般常見三防膠相關的國際規範，其標準定義了三防膠的設計、選擇與應用的準則，與其於焊接電氣和電子組件要求，與於印製線路組件用電氣絕緣化合物的鑑定及性能。

其針對三防膠的驗證項目，包括：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等國際規範。

▲圖二：一般常見三防膠相關的國際規範。（Source：IPC-HDBK-830A, IPC-CC830C and IPC-J-STD-001F）

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其材質區分種類，然而混合型的三防膠材則以重量百分比佔高的材質為主，但若三防膠的厚度 ≤ 12.5um，則其三防膠材將不受材料種類的拘限被歸類於 UT 型。每一種三防膠都有其個別的特性，其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。

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與其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，卻仍會發生硫化腐蝕失效的問題。而部分元件的尺寸、外型與封裝設計亦會對三防膠製程的品質息息相關。

此外，電子設備中也並非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。圖三為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。

▲圖三：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。（Source：iST宜特科技實驗室）

三、如何透過宜特的硫化腐蝕驗證平台協助客戶選擇正確的三防膠材？

為解決此一窘境，宜特科技提供一硫化腐蝕驗證平台，可以協助您選擇正確的三防膠材，亦可針對採用各種三防膠塗佈的電子產品，協助評估產品抗硫化腐蝕的壽命驗證服務。圖四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，經歷2５天的試驗後發生失效，但塗佈膠材Ｃ與膠材Ｄ的樣本，僅僅經歷 5 – 10 天的試驗就發生了失效。因此並非所有三防膠材都有具備抗硫化腐蝕的能力，即使電子零件本身已具備抗硫化腐蝕的設計，一旦選擇不合適的膠材，反而會有增加電子產品加速硫化腐蝕失效的風險。

▲圖四：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。（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.）

除此之外，三防膠的抗硫化腐蝕能力，主要取決於膠材本身的材料特性，即使提高厚度也無法有效降低硫化腐蝕的發生，尤其是針對會吸附含硫與其化合物相關的腐蝕性氣體的特定膠材。表二為採用相同樣本，搭配不同三防膠材，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。

▲表二：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。（Source：iST 宜特科技實驗室）

因此，藉由宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台不但可以協助您選擇正確的膠材，亦可針對採用各種三防膠塗佈的電子產品協助評估產品抗硫化腐蝕的壽命驗證服務。

電子產品驗證測試實驗室－宜特科技提供各種硫化腐蝕測試的服務，並且結合 ANSI/ISA 71.04-2013 標準在試驗過程中評估此加速試驗在 ANSI/ISA 71.04 G2 或 G3 環境腐蝕等級的模擬年限；亦可結合實際終端環境的腐蝕程度，並採以客製化的實驗設計，協助評估產品抗硫化腐蝕的壽命驗證服務。若您想要更進一步了解細節，歡迎洽詢 +886-3-579-9909 分機 1067 張小姐│ Email：marketing_tw@istgroup.com

（首圖來源：宜特科技；資料來源：宜特科技）