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标题 湿热环境对电子装备可靠性的影响与对策研究
范文

    程高

    

    摘 要:本文阐述了湿热条件下电子装备的失效模式,分析了湿热应力作用下电子装备的失效机理,并结合电子装备的结构设计、加工工艺和使用维护等问题,对如何有效防护湿热环境造成的不良影响提出了对策和建议。

    关键词:环境;适应性;湿热;可靠性

    在我国东南沿海很多地区,年平均气温高、梅雨季节长、湿度大,很多地区年平均温度在27℃以上,相对湿度高达92%,在此高温、高湿环境下,装备的贮存、运输和使用经常受到高温与高湿的综合影响,因此,湿热是造成装备失效和故障率上升的一个主要原因。如何改进和提高电子装备的湿热环境适应能力,对电子装备实施有效防护,已成为当前电子装备保障工作需要解决的重要问题。

    一、湿热环境下电子装备常见的失效模式

    潮湿是装备导致失效的一个主要因素。因此,当高温、高湿作用于产品时,所形成的水汽吸附、吸收和扩散作用,使装备加速老化和失效。湿热环境下电子装备常见的几种失效模式,主要表现在以下几个方面:

    (一)加剧有机材料物理、化学劣化

    当装备所处环境的气温升高时,潮湿空气会通过物理变化,产生吸附作用,使装备材料的含水量增加。因此,高温、高湿情况下会使有机材料表面劣化加剧,造成装备材料表面变形、肿胀、起泡;粘合剂、密封件失效;有机材料的表面绝缘性能下降,引起闪络、爬电、体积电阻,抗电强度(耐压水平)下降或介质损耗增大。

    (二)加剧设备结构件腐蚀

    电子装备的结构件通常采用金属材料制造,在湿热环境中,水蒸气容易在裸露的表面上形成一层不可见的薄膜,含水的表层成为电流导体和污染源,在不同金属接触点处形成微电池,使金属之间的电化学腐蚀加剧。缺乏有效防护的金属表面或表面防护层失效后,极易形成连成一片的全面腐蚀,造成表面涂层损坏。湿热环境还会使结构件的铆钉、焊缝、螺钉等紧固件处发生强烈的选择性腐蚀破坏,造成结构失效。

    (三)加速电子线路老化

    由于现在装备都采用大规模集成化的电路,因此,每条线路之间距离非常小,当印制板吸收电路引线之间的潮湿空气后,金属线之间的绝缘性能将会降低,很大可能会出现局部线路的短路,从而影响装备的可靠性;湿热环境还可能会造成氧化,使金属导体的导电率降低,接点间打火;在东南沿海地区,湿热还会使带状天线内造成几分贝的损耗,尤其是正在服役的雷达天线,会因为高温、高湿的环境而引起故障和早期失效。

    二、湿热环境电子装备失效原因

    (一)表面受潮机理

    高温、高湿条件是引起产品表面受潮形成凝露现象的主要原因。由于空气中含有的大量的水分子,在空中运动的过程中,可能会碰撞固体物质的表面,因此,当停留在物体表面上的水分子浓度高于它在空气中的浓度时,便会在物体表面形成水分凝结,这种气体停留在固体表面上的现象称之为吸附。

    由此得出,气体吸附量与固体物质的性质、温度及平衡时气体的压力三者有关。其函数关系为:

    Q= f (T,P)

    式中:Q——吸附量,ml;T——绝对温度,K;P ——压力,Pa。

    根据此函数关系可以看出,温度越低,压力越高,则吸附量越大。吸附还与相对湿度有关,相对湿度增加,吸附量增加,相对温度减小,吸附量减少。如图1所示:

    ■

    图1 吸附等温线与吸附等压线

    (二)体积受潮机理

    体积受潮主要是由水蒸气呼吸、吸收和扩散形成的。一个具有封闭外壳的装备,在湿热环境下,内腔虽然不接触外部的高湿度空气,但潮气会通过间隙进入空腔内,形成呼吸效应,使内部造成受潮。当潮气由浓度大的地方向浓度小的地方迁移时,这种物理现象称为扩散现象。扩散与绝对湿度、温度及材质有关,按菲克定律可表示为:J=D(dC/dx)。式中:J——单位时间内通过单位截面的水蒸汽量;D——扩散系数;C——水蒸汽浓度;x——扩散距离;■——空气和材料内部的水蒸汽浓度梯度,它的大小取决于试验条件中的绝对温度。

    三、提高湿热环境适应性的对策

    1)正确选择结构件材料。对于金属材料的应用选择,应尽量避免选用在湿热条件下发生腐蚀的金属材料。如选择不锈钢时,应选择铁素体不锈钢之类的耐腐蚀不锈钢材料。在结构设计过程中,应尽量避免异种金属和合金相互接触。若不可避免时,应选择在电偶序中位于同组或位置相隔较近的金属或合金。2)合理选用镀、涂覆层体系。选用正确的镀、涂覆层体系,可使设备构件在使用过程中免受或少受气候环境因素的侵害。对线路结构体系中的电子部件要进行保护性涂覆。对在户外、海上使用的印制板组件,在允许的情况下,进行固体封装,可有效缓解一旦气密结构失效后因气候环境因素带来的不利影响。3)加强库存和使用管理。要根据所在地区的气候和环境条件,安装排水系统和空气循环系统消除潮气。当所在地区环境非常恶劣,排水系统和空气循环系统方法不适用时,应在库房中安装专用除湿设备来控制空气的相对湿度。制定装备在湿热环境中的使用规定,特别是在高温、梅雨季节,应尽量避免装备在高温、潮湿的条件下长时间工作。

    四、结语

    基于常见的几种湿热条件下电子装备的失效模式,并通过分析湿热应力作用下电子装备的失效机理,结合电子装备的结构设计、加工工艺和使用维护等问题,提出了如何有效防护湿热环境造成的不良影响的对策和建议,大大提高了电子装备在湿热环境的适应能力和可靠性。

    参考文献:

    [1] 祝耀昌.产品环境工程概论.北京:航天工业出版社,2003.

    [2] 鲁远曙,左卫.东南沿海气候条件对电子设备的影响及环境适应性对策.装备环境工程,2004(1).

    [3] 马志宏,李金国.湿热环境应力下产品失效机理分析.环境技术,2006(5).

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更新时间:2025/3/16 5:33:43