電子控制器內(nèi)預(yù)浸鹽霧介質(zhì)腐蝕效應(yīng)分析

鄭南飛，劉俊邦，陳荻云，張少鋒,2*

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣東 廣州 511370）

引言

當(dāng)今世界地緣政治突出，應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略需求，航空裝備極端海洋環(huán)境下實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練成為常態(tài)，熱帶海洋環(huán)境下的高溫高濕與鹽霧對(duì)航空裝備的環(huán)境試驗(yàn)性提出挑戰(zhàn)[1-3]。其中，電子控制器作為核心電子裝備，隨著裝備的結(jié)構(gòu)更精細(xì)，復(fù)雜程度的提高，需要控制的參數(shù)增加，數(shù)字電子控制器的大運(yùn)算量以及同時(shí)控制多參數(shù)變化的能力，使其成為主流的發(fā)展趨勢(shì)[4,5]。

針對(duì)熱帶海洋環(huán)境對(duì)電子控制器的印制電路板與板上元器件的影響，袁敏[6]等應(yīng)用多種印制電路板涂覆工藝制備的電路板進(jìn)行西沙自然環(huán)境暴露試驗(yàn)。在試驗(yàn)后，印制電路板出現(xiàn)明顯腐蝕，導(dǎo)致電路板的電氣性能指標(biāo)下降，包括絕緣電阻與介質(zhì)耐電壓性能。在電子元器件的腐蝕研究中，高明[7]等以塑封集成運(yùn)算放大器為研究對(duì)象，在不同濕熱環(huán)境下，由于外置鍍層的缺陷導(dǎo)致外引線腐蝕，使得電子元器件的失效。結(jié)合實(shí)際環(huán)境因素，水汽中的灰塵，腐蝕介質(zhì)增加了水汽的導(dǎo)電率，加快腐蝕速率，破壞電子元器件外部鍍層，直接影響其性能和使用壽命。

為了增強(qiáng)數(shù)字電子控制器在受到外部環(huán)境因素影響后的測(cè)試性與維修性，研究學(xué)者提出機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)（BIT）[8-11]，以應(yīng)對(duì)控制器功能越加復(fù)雜，集成度高的發(fā)展趨勢(shì)，減少數(shù)字電子控制器的維修保障成本，降低控制器試驗(yàn)成本。李海偉[9]等在航空電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，充分考慮集成電路，模擬電路，元器件的功能特性，以嵌入式測(cè)試診斷方法構(gòu)建BIT 軟件，涵蓋電子設(shè)備的各功能電路測(cè)試。袁劍平[12]等以電液伺服閥放大器為研究對(duì)象，對(duì)其BIT 設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，驗(yàn)證了該BIT 的檢測(cè)和隔離故障能力。

因此，本論文針對(duì)鹽霧與濕熱環(huán)境對(duì)航空電子控制器的影響，結(jié)合機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)，分析環(huán)境因素的腐蝕效應(yīng)，定位故障位置，探討航空電子控制器在腐蝕環(huán)境下的薄弱環(huán)節(jié)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣件

選用電子控制原理樣機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，如圖1 所示。在打開(kāi)外殼蓋板的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，內(nèi)部的印制電路板與電路板上焊接的電子元器件涂覆三防漆，暴露于試驗(yàn)環(huán)境下。

圖1 電子控制器

1.2 試驗(yàn)方法

為模擬電子控制器在熱帶海洋環(huán)境下被鹽霧介質(zhì)浸入的服役狀態(tài)，采用鹽霧試驗(yàn)與濕熱試驗(yàn)結(jié)合，探究鹽霧與濕熱環(huán)境對(duì)電子控制器內(nèi)部的影響。

鹽霧介質(zhì)浸入試驗(yàn)是將電子控制器原理樣機(jī)去除外殼，電路板直接接觸大氣下，開(kāi)展中性鹽霧試驗(yàn)，如圖2 所示，在鹽霧環(huán)境下放置2 h，使鹽霧介質(zhì)浸入電子控制器。試驗(yàn)條件為（35±2）℃，噴霧溶液為氯化鈉溶液，濃度為（5±1）%，pH 值為6.5～7.2，鹽霧沉降率為（1.0～2.0）mL（h.80 cm2）。

圖2 鹽霧介質(zhì)浸入試驗(yàn)

交變濕熱試驗(yàn)是將經(jīng)過(guò)鹽霧浸入試驗(yàn)的控制器置于濕熱箱，濕熱箱由廣州五所環(huán)境儀器有限公司提供。依據(jù)GB/T 2423.4-2008 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分開(kāi)展交變濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)程序見(jiàn)圖3。交變濕熱試驗(yàn)如圖4所示

圖3 交變濕熱試驗(yàn)程序

圖4 交變濕熱試驗(yàn)

1.3 功能檢測(cè)與故障排查

在每次試驗(yàn)后，應(yīng)用機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行在線的故障自檢測(cè)，利用上位機(jī)軟件模擬控制器實(shí)際工作電路狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 電子控制器機(jī)內(nèi)測(cè)試

通過(guò)上位機(jī)軟件的異常參數(shù)判斷控制器原理樣機(jī)中的電路故障，結(jié)合電路板原理圖紙，利用萬(wàn)用表和示波器對(duì)電路板中的故障電路中的關(guān)鍵點(diǎn)和器件的管腳繼續(xù)檢測(cè)[13]，與完好控制器相應(yīng)位置的測(cè)量值或信號(hào)輸出進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)逐一更換故障器件，排除控制器故障并得到在鹽霧和濕熱環(huán)境下電路板的薄弱環(huán)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)開(kāi)展與結(jié)果

電子控制器在鹽霧介質(zhì)浸入試驗(yàn)2 h 后，內(nèi)部的電路板與元器件表面沉積有氯化鈉，未發(fā)現(xiàn)有明顯腐蝕現(xiàn)象，如圖6 所示。通電進(jìn)行機(jī)內(nèi)測(cè)試，各項(xiàng)參數(shù)正常，機(jī)內(nèi)測(cè)試未出現(xiàn)故障現(xiàn)象。

圖6 鹽霧介質(zhì)浸入試驗(yàn)后的電子控制器

強(qiáng)制鹽霧介質(zhì)浸入試驗(yàn)后，進(jìn)行交變濕熱試驗(yàn)。在交變濕熱試驗(yàn)4 天后，控制器內(nèi)多個(gè)電子元器件出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，DC/DC 電源模塊，兩路開(kāi)關(guān)量輸出電路SIP 模塊，場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面出現(xiàn)明顯腐蝕，如圖7 所示。通電進(jìn)行機(jī)內(nèi)測(cè)試，各項(xiàng)參數(shù)正常，機(jī)內(nèi)測(cè)試未出現(xiàn)故障現(xiàn)象。

圖7 交變濕熱試驗(yàn)4 天后的電子控制器

控制器完成檢測(cè)后，繼續(xù)開(kāi)展4 天的交變濕熱試驗(yàn)。試驗(yàn)后，控制器內(nèi)的電子元器件腐蝕程度加深，如圖8所示，出現(xiàn)明顯腐蝕的元器件數(shù)量增多，從試驗(yàn)4 天時(shí)的4 個(gè)發(fā)展至16 個(gè)，并且同一元器件隨濕熱試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)其腐蝕面積增大。相比于試驗(yàn)4 天的控制器，DC/DC電源模塊腐蝕面積增加約三分之一，主要出現(xiàn)在表面的左邊和下邊的邊緣處；兩路開(kāi)關(guān)量輸出電路SIP 模塊主要在右下方增加腐蝕點(diǎn)；場(chǎng)效應(yīng)晶體管呈現(xiàn)多處的局部腐蝕，試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)使得腐蝕產(chǎn)物區(qū)域顏色加深，從橙黃色變成深褐色。通電進(jìn)行機(jī)內(nèi)測(cè)試，上位機(jī)內(nèi)狀態(tài)量顯示上電異常，模擬量參數(shù)異常。重啟電源進(jìn)行測(cè)試，上位機(jī)無(wú)法接收到控制器的信號(hào)。

圖8 交變濕熱試驗(yàn)8 天后的電子控制器

2.2 故障定位與器件更換

2.2.1 晶體振蕩器

在試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)故障控制器進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)直流穩(wěn)壓電源供電，記錄控制器的上電電流，并利用萬(wàn)用表對(duì)電路板上的關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行電壓檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示，檢測(cè)供電電路是否故障，檢測(cè)結(jié)果與完好控制器相同，供電電路正常。

表1 供電電路關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)電壓

考慮電路板的燒錄程序出錯(cuò)導(dǎo)致上位機(jī)軟件沒(méi)法接收控制器信號(hào)。應(yīng)用軟件對(duì)電路板進(jìn)行重新燒錄程序，燒錄軟件顯示通訊超時(shí)，無(wú)法完成重新燒錄，而完好控制器能夠正常快速完成重新燒錄。

考慮晶體振蕩器故障，無(wú)法產(chǎn)生高精度與穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，使控制器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)無(wú)法傳送至電腦，上位機(jī)軟件未接收到數(shù)據(jù)信號(hào)。通過(guò)示波器對(duì)晶體振蕩器進(jìn)行檢測(cè)，完好控制器中的晶體振蕩器輸出的信號(hào)為16 MHz的方波，故障控制器的晶體振蕩器輸出信號(hào)為不規(guī)則的波形，難以讀出其信號(hào)頻率，如圖9 所示。從圖10 可見(jiàn)，晶體振蕩器表面腐蝕嚴(yán)重，產(chǎn)生明顯銹跡。

圖9 晶體振蕩器輸出信號(hào)

2.2.2 場(chǎng)效應(yīng)晶體管

在更換晶體振蕩器后，控制器上電進(jìn)行機(jī)內(nèi)測(cè)試，上位機(jī)軟件可以正常接收控制器信號(hào)數(shù)據(jù)，如圖11 所示，上位機(jī)軟件界面左邊為故障控制器的運(yùn)行狀態(tài)，有兩個(gè)狀態(tài)量未能正常點(diǎn)亮，考慮其對(duì)應(yīng)電路SWO03 故障。

圖11 試驗(yàn)后機(jī)內(nèi)測(cè)試上位機(jī)軟件界面

利用萬(wàn)用表對(duì)SWO03 電路的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，并與正常控制器進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。推測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管故障，測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)晶體管的阻抗，其阻抗值如表3 所示，故障器件的阻抗從正常值的MΩ 級(jí)下降至kΩ 級(jí)。從圖12 可見(jiàn)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管邊緣多處腐蝕，表面腐蝕面積大于50 %。通過(guò)對(duì)器件進(jìn)行粗細(xì)檢漏，故障場(chǎng)效應(yīng)晶體管存在嚴(yán)重漏氣，鹽霧和水分的侵蝕導(dǎo)致器件的外部保護(hù)失效，推測(cè)鹽霧潮濕空氣侵入器件內(nèi)部腐蝕芯片和引線，使其失效。

表2 SWO03 電路關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)電壓

圖12 試驗(yàn)后場(chǎng)效應(yīng)晶體管外觀腐蝕

在更換器件后，電子控制器上電進(jìn)行機(jī)內(nèi)測(cè)試，上位機(jī)軟件內(nèi)各狀態(tài)量與模擬量參數(shù)正常，控制器正常運(yùn)行。

3 總結(jié)

通過(guò)本論文的研究，電子控制器在完全暴露在鹽霧和濕熱環(huán)境下時(shí)，多處元器件出現(xiàn)明顯腐蝕，導(dǎo)致其性能下降，使得電子控制器的功能異常。鹽霧介質(zhì)強(qiáng)制進(jìn)入電子控制器內(nèi)部環(huán)境，加快了潮濕空氣對(duì)電子元器件的腐蝕速率，潮濕環(huán)境下含鹽的水膜吸附于元器件表面破壞其鍍層或涂層，水汽在表面缺陷處侵入，腐蝕元器件內(nèi)部電路和芯片等，影響其使用和壽命。