電子裝備環境試驗故障影響因素分析

【摘要】對不同的環境應力（溫度循環、高溫、低溫、振動和濕度）下，電子裝備產品環境試驗故障影響因素進行了分析。同時對引起故障的機理進行了分析探討。歸納了不同的應力暴露出的故障模式，對電子裝備產品暴露出的一些故障情況進行了統計分析，并根據統計分析結果提出了改進可靠性試驗方法的建議。

【關鍵詞】電子裝備；環境試驗；故障影響因素分析；環境應力關系

1.引言

目前，電子產品在武器裝備中的重要性越來越高，對電子產品的可靠性要求也在隨之不斷提高。電子裝備現場實際使用結果表明，電子產品的故障率仍然是影響武器裝備及戰備完好性的主要因素之一。因此，研究電子產品故障與環境應力間的關系，對于確定裝備中電子產品的可靠性試驗方法、有重點地加強產品的可靠性設計將起到極大的技術支持作用。國外的統計數據表明，對于一般的電子產品，溫度、振動和濕度對其的影響最大，分別占環境引起故障數的40%、27%和19%，因此考慮這三個因素的作用已經覆蓋了86%以上的環境對產品可靠性的影響。但是，國外的這些經驗數據對于我國電子裝備的符合性如何，我國電子裝備對哪些環境因素更為敏感，電子裝備中那些部位在那種環境因素作用下更易發生故障等均沒有進行過較為系統的研究。本文結合國內可靠性試驗的故障數據對電子裝備故障與環境應力間的對應關系進行了統計，對故障規律進行了歸納，對故障機理進行了分析，并根據分析結果提出了實驗室以最佳費效比開展可靠性試驗的建議。

2.電子裝備故障機理分析

2.1 溫度循環誘發故障的機理

當溫度在上、下限溫度循環時，電子設備交替膨脹和收縮，會使設備中產生熱應力和應變。如果某些電子裝備產品內部有瞬時的熱梯度（溫度不均勻性），或產品內部鄰接材料的熱膨脹系數不匹配，則這些熱應力和應變將會加劇。這種應力和應變在缺陷處最大，它起著應力集中的作用。這種循環加載使缺陷長大.最終可大到能造成結構故障并產生電性能故障。例如，有裂紋的電鍍通孔其周圍最終完全開裂，引起開路。熱循環是使釬焊接頭和印制電路板上電鍍通孔等產生故障的首要原因。持續時間受溫度循環次數控制，每次循環.應力應變方向變化一次，循環次數也是應力應變方向的變化次數。溫度變化范圍越大，電子裝備產品內受到的應力，應變范圍越大，產品內缺陷發展為故障所需的應力應變次數（也即循環次數）越少。

溫度循環激發出的主要故障模式如下：（1）使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴大；（2）使粘接不好的接頭松弛；（3）使螺釘連接或鉚接不當的接頭松弛；（4）使機械張力不足的壓配接頭松弛；（5）使質量差的釬焊接觸電阻加大或造成開路；（6）粒子污染。

2.2 高溫誘發故障的機理

在高溫的環境條件下，電子設備一般會產生過熱的現象。過熱是電子設備產生故障的主要原因之一。故障是使設備性能退化的化學或物理變化引起的。因為隨著溫度的增加，電子、原子、分子的運動速度加快，使得電子設備的性能發生變化。隨著設備的老化，這些變化逐漸出現；當達到一定階段時.就引起嚴重的故障。到產品產生故障的時間受這些化學或物理變化的過程的速率控制，而這一速率大致按指數規律隨溫度的升高而增加。已經發現.在高于一般室內環境溫度（約20℃-25℃）范圍內條件下，故障率大致按指數規律隨溫度的升高而增加。

高溫激發出的主要的故障模式如下：

（1）不同材料膨脹系數不一致使零件粘結在一起；（2）潤滑劑粘度降低.潤滑劑外流使連接處損失潤滑能力；（3）包裝、村墊、密封、軸承和軸發生變形、粘結和失效，引起機械性的故障或破壞完整性；（4）溫度梯度的不同和不同材料膨脹不一致使得電子電路的穩定性隨之改變；（5）有機材料退色、裂開或出現裂紋；（6）變壓器和機電組件過熱；（7）繼電器和磁動或熱動裝置的接通/斷開范圍變化。

2.3 低溫誘發故障的機理

低溫的影響與高溫相反，由于電子、原子、分子運動速度減小.導致物質收縮、流動性降低、凝結交硬。又因為冶煉、軋制、設計形狀，切削刨傷、焊接淬火、鍛造塑性、彈性變形造成內應力，使構件出現明顯脆性（冷脆現象）。

低溫激發出的主要故障模式如下：（1）材料發硬變脆；（2）各種材料收縮不一致和不同零部件膨脹率的差異使零件互相咬死；（3）潤滑劑粘度增加，流動能力降低，使潤滑作用減小；（4）電子元器件（晶體管、電窯器等）的性能發生變化；（5）變壓器和機電部件的性能發生改變；（6）破裂和開裂、脆裂、沖擊強度改變，強度降低；（7）受約束的玻璃產生靜疲勞。

2.4 振動誘發故障的機理

隨機振動是在很寬的頻率范圍內對產品施加振動。產品在不同的頻率上同時受到應力，使產品的許多共振點同時受到激勵。這就意味著具有不同共振頻率的元部件同時共振.從而使安裝不當的元件受扭曲，碰撞等而損壞定額概率增加。振動應力對揭示那些對反復的結構變形或相對運動敏感的缺陷是有效的。電路板或導線接頭是在重復性應力作用下可能導致損壞性裂紋增長的例子。

振動激發出的主要的故障模式如下：

（1）結構部件、引線或元件接頭產生疲勞，特別是類適于導線上有微裂紋、微觀裂紋和類似的缺陷；（2）電纜磨損，如在松弛的電纜結處存在類似于尖緣那樣的缺陷時；（3）制造不當的螺釘接頭松弛；（4）安裝加工不當的集成電路片離開插座；（5）匯流條及其連到電路板上的釬焊接頭受到高應力引起的釬接頭薄弱點失效；（6）與可敬相對運動的部件橋形連接的元件引線沒有充分消除應力而造成損壞，例如電路板前板的發光二極管或在背板散熱箱的功率晶體管；（7）已損壞或安裝不當的脆性絕緣材料中出現裂紋。

2.5 濕度誘發故障的機理

潮濕環境的影響是指產品或材料在潮濕條件下發生外觀或物理、化學和電性能方面的劣化并導致設備功能性失效綜合作用。在工作環境中有各種大氣污染物質可能強化潮濕氣候的影響，例如各種腐蝕性氣體與潮濕的共同作用將加劇金腐蝕的速度，而某些容易吸收水分的塵埃將助長試驗樣品表面凝露或水氣吸收，從而加劇表面絕緣性能的下降。又如某些材料表面受潮后長霉，這種霉菌濕潤之后又會影響表面電阻下降，這些都會影響產品工作性能。

濕度激發出的故障模式主要有：（1）表面吸收。當隱患與表面沾污有關時，吸收引起故障的機理是特別重要的。（2）毛細凝露。當隱患與斷裂、縫隙和細孔有關時，毛細凝露是故障的主要機理。若水分以這種方式穿透表面保護層并作用于要保護的材料時，則很可能出現故障。（3）通過松散材料的擴散是第三種故障機理。它通常不直接與隱患有關或很少有關。這種機理是很慢的，要幾天到數月。

3.電子裝備故障統計數據結果分析

從統計的數據看來，振動、溫度和濕度對電子裝備的可靠性影響很大。但是，對于一個產品的不同部件，它們對這三種應力的響應是不一樣的。現把這三種應力的作用范圍歸納如下：

3.1 振動

重復應力或相對運動敏感的缺陷在振動應力下最易暴露。例如：電路板或導線插頭是在重復應力作用下可能導致破壞性裂紋增長。

振動應力主要誘發的故障模式如下：

（a）部件之間由于焊接不牢而斷開；（b）部件安裝不當時在振動的情況下引起開路；（c）振動使得某些產品（如電機、電源）不能正常工作而導致故障；（d）在產品裝配時由于存在拉伸或剪切應力而導致故障。

3.2 溫度

熱應力主要誘發的故障模式如下：

（a）由于在高溫環境中不能充分冷卻或在低溫條件下同步不匹配造成的性能下降；（b）低溫使得某些元器件的性能不穩定而造成故障；（c）由于熱膨脹系數不匹配，在熱應力循環作用下產品出現故障。

3.3 濕度

濕度應力主要誘發的故障模式如下：

（a）產品受潮后性能退化；（b）產品內部濕度累積到一定程度后在低溫狀態下結霜，導致產品開路；（c）產品內部濕度累積割一定程度后導致產品內部電路板爬電。

這三種應力的作用時間也有一定的規律：

（1）溫度應力引起的故障暴露最早；（2）振動應力引起的故障，在一定的時間累積后工藝故障、加工故障和元器件故障先后出現；（3）濕度應力和綜合應力引起的故障由于需要一定的時間累積，所以暴露的相對較晚；（4）60%的缺陷可以在前160h的綜合環境試驗中暴露，并且可以大量暴露由溫度引起的元器件故障和振動引起的工藝故障。

4.結束語

根據本文的分析結果，建議在今后設計電子裝備的可靠性試驗方案時可以考慮先進行一定時間的綜合環境試驗，這一時間可以根據不同產品的具體情況，考慮元器件的質量水平、加工工藝水平等因素加以確定，如選擇200h、300h等。利用這一綜合環境試驗暴露與溫度、濕度相關的故障、與溫度濕度綜合應力相關的故障以及與振動相關的早期故障。這一綜合環境試驗時間完成后，可以僅對產品進行振動試驗，按振動加速原理采取加速試驗方式進行試驗。這樣.既可以達到暴露產品故障的目的，同時還可以極大地縮短試驗時間，從而提高可靠性試驗的費效比。