【宜特小學堂】如何監測空氣的腐蝕程度確保產品符合規範要求 - 科技新報 TechNews

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客戶要求您的電子產品在現場/終端環境必須存活 3 或 5 年，且同時須符合 ANSI/ISA 71.04 空氣腐蝕規範 G2 或 G3 等級。
何謂 G2、G3 等級? ANSI/ISA 71.04 規範又是什麼?
身為供應商的您該如何面對?

近年來由於人工智慧 (AI)、大數據、5G、物聯網 (IOT) 與邊緣運算的廣泛應用，隨著這些題材的發酵，讓資訊硬體設備的可靠度能力越受重視。然而在全球日趨嚴重的空氣污染威脅下，若室內或室外的空氣品質含有較高的硫氣體，如硫化氫 (H₂S) 與二氧化硫 (SO₂)，將容易造成電子設備腐蝕，進而影響使用壽命。因此，了解您產品所處在的環境之空氣腐蝕程度，就相當重要。

如何掌控空氣腐蝕程度並有效地進行腐蝕的加速試驗? 宜特實驗室所提供的解決方案是藉由監控空氣品質 (Air Quality Monitoring, AQM)，量測現場/終端的空氣腐蝕程度，將其結果反饋至加速腐蝕試驗，例如混合流動性氣體 (Mixed Flowing-Gas; MFG) 與硫磺蒸氣 (Flower of Sulfur; FoS) 試驗，藉此有效地驗證產品保固期間是否會有腐蝕失效的發生。

以下將介紹何謂 ANSI/ISA 71.04 ? 其測試方法為何? 以及在宜特實驗室時常替客戶執行的兩項加速腐蝕試驗-混合流動性氣體 (Mixed Flowing-Gas; MFG) 與硫磺蒸氣 (Flower of Sulfur; FoS) 試驗。

一、ANSI/ISA 71.04 是什麼?

ANSI/ISA 71.04 是空氣腐蝕等級的標準。由美國國家標準協會 (American National Standards Institute; ANSI) 認證的國際自動化協會 (International Society of Automation; ISA) 71.04-2013 標準，將現場/終端環境的空氣腐蝕嚴重性，分類為四個等級，其包含 G1, G2, G3 與 GX。

測試方式為，藉由使用一預處理的純銅和純銀金屬試片，曝露在現場/終端的環境一個月的時間後，從其金屬試片所測得的空氣傳播污染物的腐蝕厚度/速率，來區分不同的嚴重性程度(如下表)。

嚴重性等級	反應性程度	銅腐蝕	銀腐蝕
G1	輕度的	< 300 埃 / 30 天	< 200 埃 / 30 天
G2	中度的	< 1,000 埃 / 30 天	< 1,000 埃 / 30 天
G3	惡劣的	< 2,000 埃 / 30 天	< 2,000 埃 / 30 天
GX	嚴峻的	> 2,000 埃 / 30 天	> 2,000 埃 / 30 天

▲ ANSI/ISA 71.04-2013 標準中，四種不同空氣腐蝕程度的現場/終端環境。

一般而言，當現場/終端環境的空氣腐蝕程度大於或等於 G2 等級時，其腐蝕影響的程度是可以被測量的，且腐蝕可能會是決定電子設備可靠度的一項關鍵因子。而腐蝕的失效模式可區分為兩類，包括銅的腐蝕與銀的腐蝕。

▲在資料中心的信息設備故障中，兩種常見的腐蝕失效模式。
(Source: 2011 Gaseous and Particulate Contamination Guidelines For Data Center)

二、高階旗艦型的加速腐蝕試驗：混合流動性氣體 (Mixed Flowing-Gas; MFG)

MFG 測試旨在模擬受污染的工業環境。其有許多可控制的試驗參數，包括模擬溫度、相對溼度、腐蝕性氣體種類，氣體濃度和氣體流速等。因此，MFG 可以較為精準模擬現場/終端環境的腐蝕。然而由於可控制的試驗參數眾多，需要架設複雜的試驗設備與準備多種腐蝕性氣體，MFG試驗的測試成本就比較高。

三、初階入門型的加速腐蝕試驗：硫磺蒸氣 (Flower of Sulfur; FoS)

FoS 是濕硫磺蒸氣測試。在 ASTM B809-95 標準中公開了將樣品曝露在硫磺蒸氣中的典型測試方法。該方法旨在檢測金屬塗層中的孔隙率。由於其可控制的參數（只有溫度和相對濕度）較少，因此試驗設備架設簡單，且僅使用一種腐蝕性氣體（硫蒸氣，S₈）。

與 MFG 測試相比，FoS 測試成本相對便宜，且測試持續時間短。然而，FoS 測試就無法像 MFG 一樣，完整模擬現場/終端環境的腐蝕。此外，只有單一腐蝕性氣體並不能觸發金屬腐蝕的爬行/蠕變機理。即使在較高的相對濕度下作為測試條件，也只能觀察到腐蝕產物有輕微遷移並侷限在金屬區域。

此外，因 FoS 試驗在一密閉容器，較高的試驗溫度會引起測試樣品中揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）的作用，並失去對試驗條件的控制。因此，FoS 測試流程的相關細節與標準化就顯得特別的重要。

四、截長補短，兩種試驗方式共存之必要

而電子產品最常見的腐蝕失效模式，為銅的腐蝕與銀的腐蝕，原因在於銅和銀的金屬材料被廣泛應用於電子產品中。不過由於銅與銀的腐蝕失效機理與對腐蝕性氣體的反應性皆不同，一般而言，MFG 試驗適用於銅的腐蝕與爬行/蠕變腐蝕，而 FoS 試驗適用於銀的腐蝕。因此，若要針對電子產品進行完整的腐蝕驗證，MFG 與 FoS 兩種腐蝕的試驗方法是彼此互補的必要存在。

腐蝕試驗方法	混合流動氣體試驗	硫磺蒸氣試驗
腐蝕性氣體種類	硫化氫, 二氧化硫, 二氧化氮, 氯氣, 氨氣, 臭氧	硫 S₈
試驗中參數的監控	腐蝕性氣體, 相對溼度, 溫度, 腐蝕性氣體置換率	溫度, 相對溼度
可控制的試驗參數	所有的試驗參數皆能被獨立地控制與調整	溫度, 相對溼度與硫蒸氣的濃度能被控制
腐蝕產物的類別	硫化物, 硫酸鹽, 氧化物, 氯化物, 氮化物,氨化物, 硝酸鹽, 氨鹽	硫化物, 氧化物
設備與維護的成本	高	低
試驗設備的架設	複雜	簡單
腐蝕性氣體的流動	層流且均勻	非層流
試驗箱體的尺寸	大	適中
腐蝕反應性程度	銀腐蝕較低; 銅腐蝕較高	銀與銅腐蝕皆高