濕熱環(huán)境對電子裝備可靠性的影響與對策研究

程高

摘 要：本文闡述了濕熱條件下電子裝備的失效模式，分析了濕熱應(yīng)力作用下電子裝備的失效機(jī)理，并結(jié)合電子裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝和使用維護(hù)等問題，對如何有效防護(hù)濕熱環(huán)境造成的不良影響提出了對策和建議。

關(guān)鍵詞：環(huán)境；適應(yīng)性；濕熱；可靠性

在我國東南沿海很多地區(qū)，年平均氣溫高、梅雨季節(jié)長、濕度大，很多地區(qū)年平均溫度在27℃以上，相對濕度高達(dá)92%，在此高溫、高濕環(huán)境下，裝備的貯存、運(yùn)輸和使用經(jīng)常受到高溫與高濕的綜合影響，因此，濕熱是造成裝備失效和故障率上升的一個(gè)主要原因。如何改進(jìn)和提高電子裝備的濕熱環(huán)境適應(yīng)能力，對電子裝備實(shí)施有效防護(hù)，已成為當(dāng)前電子裝備保障工作需要解決的重要問題。

一、濕熱環(huán)境下電子裝備常見的失效模式

潮濕是裝備導(dǎo)致失效的一個(gè)主要因素。因此，當(dāng)高溫、高濕作用于產(chǎn)品時(shí)，所形成的水汽吸附、吸收和擴(kuò)散作用，使裝備加速老化和失效。濕熱環(huán)境下電子裝備常見的幾種失效模式，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）加劇有機(jī)材料物理、化學(xué)劣化

當(dāng)裝備所處環(huán)境的氣溫升高時(shí)，潮濕空氣會通過物理變化，產(chǎn)生吸附作用，使裝備材料的含水量增加。因此，高溫、高濕情況下會使有機(jī)材料表面劣化加劇，造成裝備材料表面變形、腫脹、起泡；粘合劑、密封件失效；有機(jī)材料的表面絕緣性能下降，引起閃絡(luò)、爬電、體積電阻，抗電強(qiáng)度（耐壓水平）下降或介質(zhì)損耗增大。

（二）加劇設(shè)備結(jié)構(gòu)件腐蝕

電子裝備的結(jié)構(gòu)件通常采用金屬材料制造，在濕熱環(huán)境中，水蒸氣容易在裸露的表面上形成一層不可見的薄膜，含水的表層成為電流導(dǎo)體和污染源，在不同金屬接觸點(diǎn)處形成微電池，使金屬之間的電化學(xué)腐蝕加劇。缺乏有效防護(hù)的金屬表面或表面防護(hù)層失效后，極易形成連成一片的全面腐蝕，造成表面涂層損壞。濕熱環(huán)境還會使結(jié)構(gòu)件的鉚釘、焊縫、螺釘?shù)染o固件處發(fā)生強(qiáng)烈的選擇性腐蝕破壞，造成結(jié)構(gòu)失效。

（三）加速電子線路老化

由于現(xiàn)在裝備都采用大規(guī)模集成化的電路，因此，每條線路之間距離非常小，當(dāng)印制板吸收電路引線之間的潮濕空氣后，金屬線之間的絕緣性能將會降低，很大可能會出現(xiàn)局部線路的短路，從而影響裝備的可靠性；濕熱環(huán)境還可能會造成氧化，使金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電率降低，接點(diǎn)間打火；在東南沿海地區(qū)，濕熱還會使帶狀天線內(nèi)造成幾分貝的損耗，尤其是正在服役的雷達(dá)天線，會因?yàn)楦邷亍⒏邼竦沫h(huán)境而引起故障和早期失效。

二、濕熱環(huán)境電子裝備失效原因

（一）表面受潮機(jī)理

高溫、高濕條件是引起產(chǎn)品表面受潮形成凝露現(xiàn)象的主要原因。由于空氣中含有的大量的水分子，在空中運(yùn)動的過程中，可能會碰撞固體物質(zhì)的表面，因此，當(dāng)停留在物體表面上的水分子濃度高于它在空氣中的濃度時(shí)，便會在物體表面形成水分凝結(jié)，這種氣體停留在固體表面上的現(xiàn)象稱之為吸附。

由此得出，氣體吸附量與固體物質(zhì)的性質(zhì)、溫度及平衡時(shí)氣體的壓力三者有關(guān)。其函數(shù)關(guān)系為：

Q= f （T，P）

式中：Q——吸附量，ml；T——絕對溫度，K；P ——壓力，Pa。

根據(jù)此函數(shù)關(guān)系可以看出，溫度越低，壓力越高，則吸附量越大。吸附還與相對濕度有關(guān)，相對濕度增加，吸附量增加，相對溫度減小，吸附量減少。如圖1所示：

■

圖1 吸附等溫線與吸附等壓線

（二）體積受潮機(jī)理

體積受潮主要是由水蒸氣呼吸、吸收和擴(kuò)散形成的。一個(gè)具有封閉外殼的裝備，在濕熱環(huán)境下，內(nèi)腔雖然不接觸外部的高濕度空氣，但潮氣會通過間隙進(jìn)入空腔內(nèi)，形成呼吸效應(yīng)，使內(nèi)部造成受潮。當(dāng)潮氣由濃度大的地方向濃度小的地方遷移時(shí)，這種物理現(xiàn)象稱為擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散與絕對濕度、溫度及材質(zhì)有關(guān)，按菲克定律可表示為：J=D（dC/dx）。式中：J——單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面的水蒸汽量；D——擴(kuò)散系數(shù)；C——水蒸汽濃度；x——擴(kuò)散距離；■——空氣和材料內(nèi)部的水蒸汽濃度梯度，它的大小取決于試驗(yàn)條件中的絕對溫度。

三、提高濕熱環(huán)境適應(yīng)性的對策

1）正確選擇結(jié)構(gòu)件材料。對于金屬材料的應(yīng)用選擇，應(yīng)盡量避免選用在濕熱條件下發(fā)生腐蝕的金屬材料。如選擇不銹鋼時(shí)，應(yīng)選擇鐵素體不銹鋼之類的耐腐蝕不銹鋼材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量避免異種金屬和合金相互接觸。若不可避免時(shí)，應(yīng)選擇在電偶序中位于同組或位置相隔較近的金屬或合金。2）合理選用鍍、涂覆層體系。選用正確的鍍、涂覆層體系，可使設(shè)備構(gòu)件在使用過程中免受或少受氣候環(huán)境因素的侵害。對線路結(jié)構(gòu)體系中的電子部件要進(jìn)行保護(hù)性涂覆。對在戶外、海上使用的印制板組件，在允許的情況下，進(jìn)行固體封裝，可有效緩解一旦氣密結(jié)構(gòu)失效后因氣候環(huán)境因素帶來的不利影響。3）加強(qiáng)庫存和使用管理。要根據(jù)所在地區(qū)的氣候和環(huán)境條件，安裝排水系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)消除潮氣。當(dāng)所在地區(qū)環(huán)境非常惡劣，排水系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)方法不適用時(shí)，應(yīng)在庫房中安裝專用除濕設(shè)備來控制空氣的相對濕度。制定裝備在濕熱環(huán)境中的使用規(guī)定，特別是在高溫、梅雨季節(jié)，應(yīng)盡量避免裝備在高溫、潮濕的條件下長時(shí)間工作。

四、結(jié)語

基于常見的幾種濕熱條件下電子裝備的失效模式，并通過分析濕熱應(yīng)力作用下電子裝備的失效機(jī)理，結(jié)合電子裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝和使用維護(hù)等問題，提出了如何有效防護(hù)濕熱環(huán)境造成的不良影響的對策和建議，大大提高了電子裝備在濕熱環(huán)境的適應(yīng)能力和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祝耀昌.產(chǎn)品環(huán)境工程概論.北京：航天工業(yè)出版社，2003.

[2] 魯遠(yuǎn)曙，左衛(wèi).東南沿海氣候條件對電子設(shè)備的影響及環(huán)境適應(yīng)性對策.裝備環(huán)境工程，2004（1）.

[3] 馬志宏，李金國.濕熱環(huán)境應(yīng)力下產(chǎn)品失效機(jī)理分析.環(huán)境技術(shù)，2006（5）.