電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)中冷浸及冷設(shè)計(jì)方法探討

周敏，曾慶國(guó)，江豐，陳中文

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東　廣州　510610；3.廣州市電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東　廣州　510610）

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電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)中冷浸及冷設(shè)計(jì)方法探討

周敏1，2，3，曾慶國(guó)1，2，3，江豐1，2，3，陳中文1，2，3

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510610；3.廣州市電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510610）

論述了如何在方案初期就正確地理解標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、產(chǎn)品特性和冷設(shè)計(jì)的要求，形成一個(gè)清晰的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)理念，以便于制定出一個(gè)嚴(yán)酷程度正確、一致性好的可靠性試驗(yàn)中冷浸試驗(yàn)剖面的方法。概述了電子產(chǎn)品一般的冷設(shè)計(jì)方法，鑒于航天電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，列舉了其冷設(shè)計(jì)的一個(gè)案例，該方法也適用于其他平臺(tái)上的電子產(chǎn)品。

電子產(chǎn)品；可靠性；冷浸；冷設(shè)計(jì)

0　引言

冷浸是為了考核受試產(chǎn)品在經(jīng)歷了最嚴(yán)酷的冷運(yùn)輸條件和貯存條件后的性能，其普遍存在于車輛、船載、機(jī)載和航天等平臺(tái)的電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)中，是電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的重要和常見的組成部分。雖然這是一個(gè)常見的試驗(yàn)項(xiàng)目，但在制定試驗(yàn)剖面及準(zhǔn)備試驗(yàn)時(shí)，仍會(huì)面臨一些缺乏所要的參考信息的問(wèn)題，例如：受試產(chǎn)品內(nèi)部的溫度在冷浸前的穩(wěn)定時(shí)間、受試產(chǎn)品內(nèi)部在冷浸后加電時(shí)的溫度和冷凝程度等信息的缺乏，都會(huì)導(dǎo)致在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，不知如何避免受試產(chǎn)品內(nèi)部欠應(yīng)力或過(guò)應(yīng)力等問(wèn)題。這些信息是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)果，準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出并實(shí)測(cè)這些信息之所以很難，是因?yàn)楹茈y在方案初期就開始對(duì)其加以重視。理解標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、產(chǎn)品的特性和冷設(shè)計(jì)的要求，把各個(gè)瑣碎的細(xì)節(jié)分析透徹并貫穿起來(lái)，形成一個(gè)清晰的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)理念，制定一個(gè)嚴(yán)酷程度正確、一致性好的冷浸試驗(yàn)剖面，這正是本文想要解決的問(wèn)題。

本文論述了如下內(nèi)容：1）冷浸階段剖面的基本參數(shù)，試驗(yàn)前需要調(diào)查的產(chǎn)品內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的跟隨性曲線，以標(biāo)準(zhǔn)中船載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)冷浸剖面作為例子；2）車輛、船載和機(jī)載等平臺(tái)上的電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)冷浸階段剖面的特點(diǎn)；3）試驗(yàn)前預(yù)處理方法；4）如何對(duì)試驗(yàn)箱進(jìn)行控制，使它很好地運(yùn)行出這些剖面；5）受試產(chǎn)品在可靠性試驗(yàn)冷浸前后的溫度跟隨性記錄方法；6）冷浸階段后的典型故障現(xiàn)象；7）電子產(chǎn)品一般冷設(shè)計(jì)方法，鑒于航天領(lǐng)域中電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，舉出其冷設(shè)計(jì)方法的一個(gè)案例，該方法也適用于其他平臺(tái)上的電子產(chǎn)品；8）對(duì)文章進(jìn)行總結(jié)并給出了文中所論述的問(wèn)題的結(jié)論。

1　可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中含冷浸階段的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)剖面

國(guó)內(nèi)外可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要有GJB 899A-2009《可靠性鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)》［1］、MIL-STD-781D《工程研制、鑒定和生產(chǎn)可靠性試驗(yàn)》和MIL-HDBK-781D［2］《工程研制、鑒定和生產(chǎn)可靠性試驗(yàn)方法、方案和環(huán)境》（后面的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合在一起被統(tǒng)稱為781D）。GJB 899A-2009和781D對(duì)船艙內(nèi)外設(shè)備受試產(chǎn)品在冷浸期間是否通電的規(guī)定存在不同之處，781D規(guī)定受試產(chǎn)品在冷浸階段通電；GJB 899A-2009則規(guī)定受試產(chǎn)品在冷浸階段不通電，在冷浸結(jié)束后當(dāng)環(huán)境溫度升高到規(guī)定的工作溫度后再加電，GJB 899A-2009給出的內(nèi)部安裝有溫控設(shè)備的水面航船的可靠性試驗(yàn)-冷循環(huán)剖面如圖1所示。

可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定冷浸階段前實(shí)際上要經(jīng)過(guò)降溫段，冷浸結(jié)束后還會(huì)有個(gè)升溫段。以下討論都是基于受試產(chǎn)品在冷浸期間不通電，在冷浸結(jié)束后當(dāng)環(huán)境溫度升高到規(guī)定的工作溫度后再加電的條件下展開的。因此，試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中存在3個(gè)重要參數(shù)：開始降溫至冷浸正式開始的時(shí)間 （若不將這段時(shí)間放在試驗(yàn)剖面內(nèi)，則最終的試驗(yàn)時(shí)間不能算作有效的試驗(yàn)時(shí)間）、冷浸時(shí)間長(zhǎng)度和冷浸結(jié)束后溫度上升段中的加電時(shí)間點(diǎn)。第1個(gè)和第3個(gè)參數(shù)需要根據(jù)電子產(chǎn)品的內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的跟隨性曲線來(lái)確定，由于通常不便將傳感器放進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部，因而僅靠試驗(yàn)前測(cè)試是很難得到這些曲線的，應(yīng)該在設(shè)計(jì)過(guò)程中就要調(diào)查清楚：1）受試產(chǎn)品的內(nèi)部溫度跟隨環(huán)境溫度從常溫下降至冷浸溫度的跟隨曲線；2）受試產(chǎn)品的內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度從冷浸溫度升至規(guī)定的工作溫度的跟隨性曲線；3）冷浸后，在船艙內(nèi)環(huán)境溫度上升的過(guò)程中，受試產(chǎn)品在加電時(shí)間點(diǎn)的內(nèi)部溫度。

圖1　GJB 899A-2009中給出的內(nèi)部安裝有溫控設(shè)備水面航船的可靠性試驗(yàn)-冷循環(huán)剖面

2　冷浸階段試驗(yàn)剖面及冷設(shè)計(jì)所基于的特性調(diào)查

以某船用電子產(chǎn)品為調(diào)查對(duì)象，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，選取其內(nèi)部4個(gè)不同的位置，測(cè)量這些位置的溫度隨環(huán)境溫度的變化情況，測(cè)得的結(jié)果如圖3所示。

圖2　某船用電子產(chǎn)品內(nèi)部不同的安裝位置示意圖

圖3　某船用電子產(chǎn)品內(nèi)部不同位置的溫度與環(huán)境溫度的跟隨性曲線

3　可靠性試驗(yàn)冷浸剖面特點(diǎn)及其影響分析

由圖3可見，在降溫期間開始冷浸的時(shí)間及升溫期間加電的時(shí)間點(diǎn)不同，所產(chǎn)生的試驗(yàn)結(jié)果可能也會(huì)有很大的不同。提出可靠性試驗(yàn)的環(huán)境應(yīng)力條件要求時(shí)，冷浸溫度、冷工作溫度、熱浸溫度和熱工作溫度等都應(yīng)符合可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，而且要針對(duì)重要細(xì)節(jié)提出原則，例如：是否要求將受試產(chǎn)品的內(nèi)部溫度穩(wěn)定到冷浸溫度，否者，試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度距離實(shí)際應(yīng)力就會(huì)存在很大的距離。以下列舉一些典型的情況進(jìn)行說(shuō)明。

3.1水面船載溫控艙內(nèi)電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)冷浸剖面特點(diǎn)及其影響分析

在水面船載溫控艙室內(nèi)部安裝設(shè)備的可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)剖面中，1個(gè)循環(huán)的應(yīng)力模仿的是1晝夜的氣候緩慢變化過(guò)程，由于船載產(chǎn)品體積大、質(zhì)量大，內(nèi)部溫度與試驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度的跟隨性很慢，從而導(dǎo)致了設(shè)備的降溫及溫度穩(wěn)定時(shí)間很長(zhǎng)，因此，運(yùn)行試驗(yàn)剖面時(shí)，要考慮循環(huán)間的較長(zhǎng)的過(guò)渡時(shí)間；冷浸后的剖面模擬了溫控艙室內(nèi)的溫度在冷浸后的升溫過(guò)程、濕度變化過(guò)程和振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力。

冷浸階段前的溫度穩(wěn)定時(shí)間、冷浸結(jié)束后的加電時(shí)間點(diǎn)和測(cè)試時(shí)間點(diǎn)是影響到這類電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度一致性的關(guān)鍵參數(shù)，分3種嚴(yán)酷程度：1）最嚴(yán)酷的是：試驗(yàn)箱降溫前箱內(nèi)濕度很高，冷浸前受試產(chǎn)品內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)定，冷浸后升溫段濕度高，升到剖面規(guī)定的溫度 （例如：10℃）時(shí)立刻通電，此時(shí)，由于內(nèi)部溫度還處在工作溫度之下，因而容易造成低溫?fù)p傷，并且因電路上水汽凝露而使得爬電距離減小 （特別是對(duì)于非密封產(chǎn)品而言），試驗(yàn)設(shè)備即使試驗(yàn)中僥幸地啟動(dòng)成功，也可能在今后使用時(shí)因電路表面凝露出現(xiàn)而發(fā)生極間短路；2）試驗(yàn)前如果按統(tǒng)一規(guī)定的方法對(duì)受試產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理，并使受試產(chǎn)品的內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)定，這種方法在實(shí)施上容易保持一致性，且能達(dá)到對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部材料施加冷浸應(yīng)力的效果；3）最不嚴(yán)酷的是：試驗(yàn)箱降溫前箱內(nèi)濕度低于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)預(yù)處理的要求，以每分鐘低于5℃的速度降溫，到達(dá)冷浸溫度就開始冷浸，不要求冷浸前受試產(chǎn)品的內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)定，升到規(guī)定溫度后延時(shí)通電，以便等待受試產(chǎn)品的內(nèi)部溫度升上來(lái)。

因此，在剪裁上述可靠性試驗(yàn)冷浸的應(yīng)力條件要求時(shí)，要保證試驗(yàn)在嚴(yán)酷程度上的一致性，要確定試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度，除了明確冷浸溫度和時(shí)間外，還應(yīng)該明確以下3個(gè)內(nèi)容：1）確定試驗(yàn)箱開始降溫前，對(duì)受試產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理的方法；2）確定在進(jìn)入每個(gè)冷浸試驗(yàn)循環(huán)剖面0 min之前，試驗(yàn)箱降溫至冷浸溫度的時(shí)間，受試產(chǎn)品的內(nèi)部溫度跟隨試驗(yàn)箱內(nèi)溫度的下降而下降到冷浸起始溫度的時(shí)間，期間受試產(chǎn)品不加電 （該過(guò)渡時(shí)間不記為有效時(shí)間）；3）冷浸后試驗(yàn)箱的空氣溫度升至10℃多長(zhǎng)時(shí)間后，對(duì)受試產(chǎn)品進(jìn)行加振、加電，以及有關(guān)濕度控制的要求。

3.2其他類型的電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)冷浸剖面的特點(diǎn)及其影響分析

其他類型的電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)冷浸階段剖面參數(shù)對(duì)試驗(yàn)嚴(yán)酷程度的影響與上述情況是類似的，只是許多電子產(chǎn)品，例如：地面固定設(shè)備、地面移動(dòng)設(shè)備、直升機(jī)、登陸艇和內(nèi)河航道小艇等，其可靠性試驗(yàn)剖面不分冷循環(huán)、常溫循環(huán)或熱循環(huán)，沒(méi)有循環(huán)間過(guò)渡時(shí)間，但其可靠性試驗(yàn)剖面中的一個(gè)循環(huán)包含了所有由任務(wù)剖面剪裁的綜合環(huán)境應(yīng)力，且在循環(huán)中應(yīng)力值是首尾相同的 （參見圖2）。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)剖面里的冷浸段往往比實(shí)際發(fā)生的時(shí)間短，例如：剖面剪裁時(shí)有些系統(tǒng) （例如：無(wú)人機(jī)）可能在一個(gè)時(shí)期封存不用，其試驗(yàn)剖面的冷浸時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，例如：達(dá)到6 h以上。

4　可靠性試驗(yàn)中試驗(yàn)前預(yù)處理方法分析

試驗(yàn)前預(yù)處理方法和進(jìn)入冷浸階段前的溫度穩(wěn)定時(shí)間往往沒(méi)有在試驗(yàn)大綱的試驗(yàn)剖面里注明，但是，這兩個(gè)方面對(duì)試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度的影響是很大的，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，應(yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案初期就和試驗(yàn)大綱［3］一起被定下來(lái)，以便在設(shè)計(jì)的早期就做相應(yīng)的考慮。至少要做到在試驗(yàn)前有規(guī)定可循，在試驗(yàn)記錄中也應(yīng)將此項(xiàng)內(nèi)容清楚地記錄下來(lái)，以保證試驗(yàn)的一致性和可追溯性。

受試產(chǎn)品預(yù)處理的目的是為了消除或部分消除試驗(yàn)樣品過(guò)去所受的影響，并保持試驗(yàn)結(jié)果的一致性。在可靠性試驗(yàn)中，冷浸試驗(yàn)是第一個(gè)循環(huán)，冷浸試驗(yàn)前有必要對(duì)受試產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理。此外，一般還要在受試產(chǎn)品進(jìn)箱前，把試驗(yàn)箱內(nèi)的材料烘干。預(yù)處理可依據(jù)相關(guān)規(guī)定及具體情況來(lái)進(jìn)行，GB/T 2421-2008 5.4.1給出了受控恢復(fù)條件，并注明控制的恢復(fù)條件也可用于預(yù)處理；GJB 150.4A［4］規(guī)定，低溫試驗(yàn)前應(yīng)使受試產(chǎn)品內(nèi)部的溫度在正常大氣條件下達(dá)到穩(wěn)定。濕熱試驗(yàn)前使試驗(yàn)品在溫度40～50℃的條件下干燥不少于2 h，或在溫度25℃±5℃、相對(duì)濕度50%的條件下放置24 h。實(shí)際上，預(yù)處理的環(huán)境溫度、濕度和時(shí)間規(guī)定得越具體，試驗(yàn)結(jié)果的一致性就會(huì)越好。

可靠性試驗(yàn)一般以冷浸階段開始，所以一般預(yù)處理完成之后，試驗(yàn)箱的溫度便開始下降，模擬海面或陸地上環(huán)境溫度的緩慢變化，例如：晝夜變化，通常低于1℃/min。

5　可靠性試驗(yàn)冷浸階段受試產(chǎn)品的溫度跟隨性記錄方法分析

由以上討論可知，受試產(chǎn)品內(nèi)部在經(jīng)歷可靠性試驗(yàn)冷浸階段前后的實(shí)際溫度分布值，是制定試驗(yàn)剖面、進(jìn)行可靠性試驗(yàn)和故障分析等工作的重要參考數(shù)據(jù)，可用來(lái)了解試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度、對(duì)試驗(yàn)故障進(jìn)行可追溯分析，還可進(jìn)一步地?fù)?jù)此對(duì)受試產(chǎn)品的冷卻方式、結(jié)構(gòu)工藝、低溫工作的溫度指標(biāo)和預(yù)熱電路等方面進(jìn)行評(píng)估。

表面溫度測(cè)試一般會(huì)采用細(xì)線熱電偶 （例如：直徑為0.1 mm）和耐高低溫的膠布，應(yīng)注意將細(xì)線熱電偶接觸點(diǎn)的一段 （例如：1～2 cm）貼緊被測(cè)量的表面，以盡量保證測(cè)試的結(jié)果不受空氣溫度的影響，同時(shí)避免在接觸空間積蓄熱量。對(duì)于一個(gè)機(jī)柜，需要測(cè)試的表面通常有：液晶顯示器外表、元器件表面、密集插板之間的槽、柜內(nèi)面板表面和絕緣層板 （聚乙烯），值得注意的是，應(yīng)該以對(duì)工作溫度敏感的器件的表面溫度為主要調(diào)查對(duì)象，受試產(chǎn)品中，一些熱慣量大的物體 （例如：膠木等）的表面溫度的穩(wěn)定時(shí)間很長(zhǎng)，只要是不影響到器件的工作溫度的，都不給予考慮。

6　冷浸階段后常見的故障現(xiàn)象分析

受試產(chǎn)品內(nèi)部穩(wěn)定在冷浸溫度后再開始冷浸，冷浸后溫度升高到規(guī)定的溫度后加振、加電及測(cè)試，能暴露產(chǎn)品內(nèi)部材料、材料間的固定或接觸存在的瑕疵和電路表面冷凝防護(hù)設(shè)計(jì)的不足，此階段出現(xiàn)的故障主要有：1）顯示器黑屏，原因是電子器件基材的熱脹冷縮及振動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致焊球脫落，形變導(dǎo)致管腿的焊點(diǎn)出現(xiàn)開路；2）爬電距離小、電壓高的極點(diǎn)之間因出現(xiàn)冷凝發(fā)生打火；3）工業(yè)級(jí)交流接觸器產(chǎn)生嘯叫聲，發(fā)生間歇吸合。此外，一些電子產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間冷浸后，升溫后加電時(shí)，由于元器件的溫度還處于工作溫度之下，因而即使加電啟動(dòng)成功，仍容易造成工作不穩(wěn)定。

追溯到早期設(shè)計(jì)及試驗(yàn)階段，上述狀況沒(méi)被暴露或發(fā)現(xiàn)的原因有：1）在高加速篩選等環(huán)節(jié)，低溫、濕度應(yīng)力是不便實(shí)施加速的；濕度應(yīng)力未在采用大量液氮降溫的強(qiáng)化試驗(yàn)的應(yīng)力之中施加，也未在早期的計(jì)算機(jī)熱仿真之中施加；2）以為只要加電能夠成功，設(shè)備內(nèi)部的溫度升起來(lái)后就沒(méi)有問(wèn)題了，但實(shí)際上，在這個(gè)過(guò)程中，工作參數(shù)得不到保證；3）產(chǎn)品改型后，功率增大導(dǎo)致電壓偏置增高了，通道數(shù)的增加導(dǎo)致電路布線密度增大，進(jìn)而導(dǎo)致爬電距離偏小，這一問(wèn)題往往容易被忽略；4）忽視異常現(xiàn)象，例如：當(dāng)交流控制器發(fā)生輕微嘯叫時(shí)，習(xí)以為常，不認(rèn)為是故障。

7　電子產(chǎn)品一般冷設(shè)計(jì)方法及舉例

電子器件的工作溫度范圍由其生產(chǎn)廠規(guī)定，它規(guī)定了保證器件的工作性能達(dá)到特定規(guī)范內(nèi)的工作溫度范圍。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，選擇的器件的工作溫度范圍一般都符合技術(shù)要求中關(guān)于工作溫度的規(guī)定，人們對(duì)電子產(chǎn)品工作發(fā)熱時(shí)如何冷卻研究得比較多，而對(duì)冷浸前后電子產(chǎn)品內(nèi)部在冷浸階段及冷浸前后與環(huán)境溫度變化的跟隨性、預(yù)加熱設(shè)計(jì)和如何減小冷凝現(xiàn)象等方面研究得相對(duì)較少。反觀航天電子產(chǎn)品，其不工作時(shí)經(jīng)常處于嚴(yán)酷的無(wú)控制的溫度中，因而其在加電工作時(shí)刻的內(nèi)部溫度值十分重要。一些早期的船載電子產(chǎn)品大機(jī)柜，底部安裝了加熱系統(tǒng)，在幾年后更新型號(hào)時(shí)，新的設(shè)計(jì)師不知其作用，故將其取消了，直到做可靠性試驗(yàn)時(shí)出了故障才明白安裝的加熱系統(tǒng)的作用。

7.1電子器件的內(nèi)部溫度跟隨性結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

使得電子器件在低溫后啟動(dòng)時(shí)快速溫升的方法有很多。當(dāng)然，當(dāng)電子產(chǎn)品安裝在溫控艙內(nèi)時(shí)，首先要做的是提高PCB的環(huán)境溫度的跟隨性，加熱器與PCB間的熱阻越小，電子器件被加熱的速度也就越快。熱設(shè)計(jì)工程師可通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部元器件的排版來(lái)改變熱阻，改變熱阻可以為PCB迅速加熱，并保證PCB處于失效模式對(duì)應(yīng)的門限溫度之上。

此類設(shè)計(jì)對(duì)大的固定電子產(chǎn)品是比較有意義的，其內(nèi)部溫度隨環(huán)境溫度變化的速率比較慢，能延緩降溫速率，但是，如果需要在冷浸結(jié)束升溫后，使內(nèi)部溫度盡快地達(dá)到工作溫度，則設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該將熱交換時(shí)間常數(shù)降低，例如：將關(guān)鍵材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)降低。當(dāng)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的時(shí)候，風(fēng)道設(shè)計(jì)十分重要，例如：如何避免漩渦，增加熱交換系數(shù)等。

7.2電子器件的內(nèi)部溫度在冷浸后啟動(dòng)時(shí)的加熱溫升方法

改變熱阻需要改變器件的幾何尺寸，但這種方法會(huì)導(dǎo)致昂貴的代價(jià)，當(dāng)這種方法不適用時(shí)，電子器件內(nèi)部溫度在冷浸后啟動(dòng)時(shí)最常用的加熱溫升方法之一便是在外殼內(nèi)安裝加熱器，很明顯，加熱器提供的熱量越多，加熱速度也就越快。加熱器的安裝位置和功率對(duì)如何快速地使得PCB加熱到最低工作溫度的影響很大。最容易控制的參數(shù)是發(fā)熱器的供熱量。但是，較大的發(fā)熱器也增加了達(dá)到失效模式溫度的可能性。為了彌補(bǔ)這方面的不足，可使用PWM控制器來(lái)控制發(fā)熱器的接通時(shí)間的長(zhǎng)度，用這個(gè)方法，有間隔地按占需要功率的比例傳送給PCB熱量，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以用一小部分的熱量為PCB加熱，通過(guò)優(yōu)化熱負(fù)載功率和PWM的脈沖周期及脈寬，可以可靠地保證加熱器發(fā)生失效時(shí)PCB的溫度限制在關(guān)鍵值以下。資料表明，這種設(shè)計(jì)不但能夠使得正在冷浸的電子產(chǎn)品的內(nèi)部溫度在啟動(dòng)前快速地達(dá)到最低的工作溫度，而且，還防止了加溫過(guò)程中電路失效時(shí)導(dǎo)致的電子產(chǎn)品過(guò)熱的現(xiàn)象的產(chǎn)生。這個(gè)目標(biāo)看似簡(jiǎn)單，但要特別注意的是加熱器在熱的環(huán)境內(nèi)會(huì)延長(zhǎng)加熱期間的最壞的失效模式，所以，設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行優(yōu)化，確定如何得到最快的加熱周期，而且必須保證在持續(xù)加熱的過(guò)程中，不會(huì)使得電子器件內(nèi)部的溫度超過(guò)其最高工作溫度。

8　結(jié)束語(yǔ)

由上述討論可知，可靠性試驗(yàn)中的冷浸階段剖面的制定應(yīng)留意以下幾個(gè)方面：1）認(rèn)真考慮進(jìn)入冷浸剖面前的溫度穩(wěn)定時(shí)間，其依據(jù)是受試產(chǎn)品內(nèi)部在冷浸前降溫段及冷浸后升溫段中的溫度跟隨性；2）在研發(fā)階段，應(yīng)觀察或預(yù)計(jì)冷浸后升溫過(guò)程中的冷凝現(xiàn)象對(duì)產(chǎn)品性能的影響，并采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)。值得注意的是：1）許多產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段雖然做了HALT/HASS，但由于試驗(yàn)箱內(nèi)采用液氮降溫，箱內(nèi)濕度太低，因而冷浸后升溫過(guò)程中沒(méi)有觀察到冷凝現(xiàn)象；2）在環(huán)境試驗(yàn)的冷浸試驗(yàn)中沒(méi)有與可靠性試驗(yàn)中的冷浸階段后相同的升溫段；3）進(jìn)行冷設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)可靠性試驗(yàn)冷浸階段剖面的要求開展電子產(chǎn)品在確定溫度穩(wěn)定時(shí)間常數(shù)、優(yōu)化冷卻流道和熱傳導(dǎo)等結(jié)構(gòu)及電子加熱方面的冷設(shè)計(jì)方法研究。

總之，制定一個(gè)電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)冷浸階段剖面及產(chǎn)品的冷設(shè)計(jì)是一件慎重的事情，是否會(huì)產(chǎn)生疏忽，取決于對(duì)受試產(chǎn)品所處的真實(shí)的綜合環(huán)境條件及其在此環(huán)境中所發(fā)生的損壞的機(jī)理有無(wú)基本的了解。實(shí)踐及分析表明，在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案階段就應(yīng)高度重視這些問(wèn)題，并且應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)理解、管理嚴(yán)謹(jǐn)和設(shè)計(jì)技術(shù)研究等方面都結(jié)合在一起并做到位。

［1］中國(guó)人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部標(biāo)準(zhǔn)化研究中心.可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)：GJB 899A-2009［S］.

［2］工程研制、鑒定和生產(chǎn)可靠性試驗(yàn)方法、方案和環(huán)境：MIL-HDBK-781D［S］.

［3］中華人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部技術(shù)基礎(chǔ)局.裝備可靠性工作通用要求：GJB 450A-2004［S］.

［4］中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所.軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第4部分：低溫試驗(yàn)：GJB 150.4A-2009［S］.

［5］TUDRYN C D，BLALOCK B，BURKE G，et a1.Low temperature therma1 cyc1e survivabi1ity and re1iabi1ity study for brush1ess motor drive e1ectronics［C］//IEEE Aerospace Conference，2006：37.

Discussion on the Cold Soak in Reliability Test and Cold Design Methods of Electronic Products

ZHOU Min1，2，3，ZENG Qing-guo1，2，3，JIANG Feng1，2，3，CHEN Zhong-wen1，2，3
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Guangdong Provincia1 Key Laboratory of E1ectronic Information Products Re1iabi1ity Techno1ogy，Guangzhou 510610，China；3.Guangdong Provincia1 Research Center of E1ectronic Information Products Re1iabi1ity and Environment Engineering Techno1ogy，Guangzhou 510610，China）

The method of how to correct1y understand the standard provisions，product characteristics and co1d design requirements，and how to form a clear design and test idea at the early stage of the project are e1aborated so as to formu1ate a co1d soak test profi1e with proper severity and good consistency during the re1iabi1ity test.Besides，the genera1 co1d design methods for e1ectronic products are introduced.And in view of the advancement of the design of the aerospace e1ectronic product，a case of the co1d design of the product is cited，which is a1so app1icab1e to the e1ectronic products on other p1atforms.

e1ectronic product；re1iabi1ity；co1d soak；co1d design

TB 114.32；TB 114.37

A

1672-5468（2016）03-0007-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.002

2016-01-29

周敏 （1963-），女，廣東廣州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程研究中心高級(jí)工程師，主要從事電子系統(tǒng)可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性和安全性研究工作。