北京高低温环境试验及电磁兼容测试实验室

一、 湿度影响电子产品的基本原理

要理解湿度如何造成破坏，首先需明白其作用机理。水分子（H₂O）体积小、极性性强，具有极高的渗透性和化学活性。其影响主要通过物理和化学两种途径实现：

物理作用：

冷凝：当环境温度降低至露点以下，空气中的水蒸气会凝结成液态水，附着在元器件表面、PCB板（印制电路板）以及内部结构中。液态水是良导体，会直接导致电路短路。

吸附：即使未达到露点，水分子也能被材料的表面所吸附，形成几个到几十个分子层厚的水膜。这层看不见的水膜，是许多化学反应的“催化剂”和物理失效的“帮凶”。

吸收：某些非金属材料（如塑料封装体、PCB基板、粘合剂）会吸收环境中的水汽，导致其体积膨胀、性能退化（如介电常数改变、机械强度下降）。

化学作用：

电化学腐蚀：这是最普遍且危害最大的失效机理。吸附在金属表面（如引脚、焊点、线路）的水膜，溶解了空气中的污染物（如CO₂、SO₂、Cl⁻离子），形成电解液。在不同电位的金属之间形成原电池，从而引发阳极金属的腐蚀，如铜线的锈蚀、银的迁移、焊点的断裂。

水解反应：高温高湿环境会加速水分子与材料发生化学反应。例如，水汽能渗入塑料封装体内部，与芯片粘接剂发生水解，导致封装开裂（Delamination）；与PCB基板中的树脂发生水解，导致板材膨胀、起泡（俗称“爆板”）分层。

热力学作用：电子产品在运行时会发热，关机后则会冷却。这种反复的“加热-冷却”循环，会使其内部空腔和材料缝隙中的水汽经历“吸入-呼出”的过程。在回流焊（SMT生产中的高温焊接过程）时，吸收了大量水汽的元器件内部会产生极高的蒸汽压，导致内部损伤和开裂。

二、 详尽的失效模式分析

基于上述原理，湿度引发的失效模式多种多样，几乎涵盖了电子产品的所有方面。

1. 电气性能失效

漏电流增加与绝缘电阻下降：PCB板的绝缘层、元器件引脚间距、开关触点间的表面，一旦形成水膜，就不再是完美的绝缘体。水膜及其溶解的离子会形成导电通路，产生显著的漏电流。这会导致信号失真、功耗增加、模拟电路精度下降，甚至逻辑电路误动作。对于高压电路（如电源模块），漏电流更是致命的风险。

短路（Short Circuit）：这是最直接、最灾难性的失效。冷凝水或污染水膜桥接了两个本不该连接的电路走线或元件引脚，造成瞬间的大电流，烧毁元器件。例如，手机进水后立即黑屏关机，往往是电源线路短路触发保护或造成物理损坏。

电介质击穿：电容器等元件的核心是电介质材料。水汽的侵入会改变电介质的特性，降低其介电强度。在高压下，被水汽弱化的电介质更容易被击穿，导致电容器永久性失效。

接触电阻增大与接触失效：连接器、开关和继电件的金属触点表面会形成氧化膜或硫化膜。水汽的存在，特别是与硫、氯等污染物结合，会急剧加速这种腐蚀过程。腐蚀产物是不导电的，导致触点接触不良、电阻增大、信号中断或功率损耗。例如，汽车电子连接器因潮湿腐蚀导致车窗升降失灵是常见故障。

2. 腐蚀失效

电化学迁移（Electrochemical Migration, ECM）：这是湿度引发的典型且复杂的失效模式。在直流电场和水膜电解液的共同作用下，金属阳极（正极）的金属离子（如Ag⁺、Cu²⁺）溶解并通过水膜向阴极（负极）迁移，最终在阴极还原成金属枝晶（Dendrite）。这些枝晶不断生长，最终桥接两个电极，造成短路。银迁移最为常见，但铜、锡甚至铅也会发生迁移。

导线与焊点腐蚀：元器件引脚（通常是铜合金或铁合金）和PCB上的铜导线，在潮湿环境下会发生氧化和电化学腐蚀。腐蚀会使得导线变细、电阻增大，甚至彻底断裂。焊点（通常是锡铅或锡银铜合金）的腐蚀会导致其机械强度下降，在热应力或振动下容易开裂，造成开路失效。

蠕变腐蚀（Creep Corrosion）：这是一种特殊形式的腐蚀，常见于含硫气氛（如工业区、温泉）与高湿结合的环境。硫化物气体腐蚀银或铜后，产生的腐蚀产物（如硫化银、硫化铜）不是停留在原处，而是在水汽的帮助下像苔藓一样“爬”过绝缘表面，甚至跨越保护层，最终导致相邻线路间的短路。

3. 物理与机械性能失效

爆米花效应（Popcorning）：这是塑料封装器件（如IC芯片）在回流焊时的一种典型破坏。如果器件在储存时吸收了过多水汽，在焊接瞬间经历200°C以上的高温，内部水汽急剧汽化产生高压。此压力足以使芯片封装体从内部撕裂、分层，甚至发出“噗”的声响，故得名。一旦发生，芯片内部通常已严重损伤，功能失效。

分层与开裂（Delamination & Cracking）：水汽会渗入材料界面，如芯片与封装塑料之间、PCB的不同层压之间。结合热应力，会导致各层材料分离（分层）。分层会破坏热传导路径（导致过热）和电学连接（导致开路）。严重时，分层会扩展为宏观的裂纹。

材料膨胀与变形：PCB的基材（FR-4等）和某些塑料会吸湿膨胀。这种膨胀可能是不均匀的，导致PCB板弯曲变形（Bow and Twist）。在组装中，变形的PCB会导致焊接不良；在运行中，变形会施加应力于焊点，加速其疲劳失效。