微波組件篩選中防凝露與烘干問題的研究

摘要：分析了相對濕度、露點等因素對溫度循環(huán)篩選過程中凝露生成情況的影響，對已有的防凝露措施在溫度循環(huán)篩選中的適用性進行驗證，并對凝露產(chǎn)生后的烘干方法及其烘干效果進行了研究，提出了提高微波組件烘干效率的有效措施。結(jié)果表明，凝露產(chǎn)生于篩選環(huán)節(jié)的升、降溫過程中，降溫階段微波組件內(nèi)部產(chǎn)生凝露，升溫階段微波組件外表面產(chǎn)生凝露。微波組件內(nèi)部產(chǎn)生凝露后，密閉腔體內(nèi)的水汽較難與外界形成交換，濕空氣無法及時排出，導(dǎo)致微波組件較難烘干。因此，當無法提高烘干溫度時，可通過增強微波組件內(nèi)的空氣流動性來有效提升烘干效率，這為微波組件篩選防凝露及提高烘干效率提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微波組件；絕對濕度；凝露；烘干方法

中圖分類號：TN015；TN06 文獻標識碼：A

0 引言

微波組件是有源相控陣雷達（active phased array radar，APAR）系統(tǒng)中的核心部件之一，其質(zhì)量直接決定了雷達系統(tǒng)的可靠性。為了確保微波組件在復(fù)雜應(yīng)用場景下的可靠性，通常采用環(huán)境應(yīng)力篩選（environmental stress screening，ESS）技術(shù)對其進行高效、精準的監(jiān)測。ESS是指通過對產(chǎn)品施加規(guī)定的環(huán)境應(yīng)力，以發(fā)現(xiàn)和暴露制造過程中的不良零件、元器件和工藝缺陷等早期故障的一種方法[1]。目前，ESS方法已成為產(chǎn)品研制生產(chǎn)中一項非常重要的工序。由于篩選過程中溫度呈現(xiàn)高低循環(huán)變化，且微波組件殼體、模塊及內(nèi)部空氣的溫度變化存在滯后性，這使得微波組件內(nèi)外表面出現(xiàn)濕空氣冷凝現(xiàn)象。因此，為兼顧篩選效果與周期控制，篩選時應(yīng)盡量減少凝露產(chǎn)生，并同步提高烘干效率。

1 溫度循環(huán)篩選

溫度循環(huán)篩選是ESS的核心方法之一。溫度循環(huán)篩選的條件分為兩種：一種為通電篩選，即在試驗箱溫度達到電子產(chǎn)品的工作溫度時，將電應(yīng)力施加到篩選產(chǎn)品上，通電篩選溫度曲線如圖1所示；另一種為不通電篩選，即篩選過程中只有溫度應(yīng)力，而無其他應(yīng)力施加于產(chǎn)品上，不通電篩選溫度曲線如圖2所示。在此過程中，溫度范圍、升降溫速率和溫度保持時間等參數(shù)都起到關(guān)鍵作用。

根據(jù)工程經(jīng)驗，對于質(zhì)量≤1 kg的微波組件，可將其高低溫保持時間設(shè)定為0.5 h；對于質(zhì)量＞1 kg的微波組件，可將其高低溫保持時間設(shè)定為1 h或2 h；對于極少數(shù)質(zhì)量特別大的微波組件，可將其高低溫保持時間設(shè)定為4 h或更長。由于微波組件具有一定的熱容，被篩微波組件的溫度會滯后于試驗箱設(shè)定溫度，根據(jù)GJB 1032A—2020《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》的規(guī)定，試驗箱的設(shè)定溫度與被篩微波組件的實際溫度之間允許的偏差≤10℃。

2 露點及凝露

凝露現(xiàn)象是日常生活中常見的物理現(xiàn)象，其本質(zhì)是空氣中的水蒸氣在物體表面遇冷凝結(jié)成液態(tài)水的過程，其產(chǎn)生與空氣的濕度、溫度緊密相關(guān)。

2.1 濕度

濕度是指空氣中所含水汽量的多少，在溫度和體積相同的條件下，空氣中水汽含量越少，說明濕度越小，反之則越大。當空氣中水汽的蒸發(fā)量與凝結(jié)量達到平衡時，即達到水汽飽和狀態(tài)，此時對應(yīng)的濕度稱為飽和濕度。表征濕度的物理量還有水汽壓、相對濕度等。

2.1.1 絕對濕度

絕對濕度是指單位容積空氣所含的水汽的質(zhì)量，也稱作水汽密度，水汽密度ρ與水汽壓、溫度的關(guān)系如下：

ρ = 289。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，ρ為絕對濕度（水汽密度），e為水汽壓，T為熱力學(xué)溫度。

2.1.2 飽和濕度

飽和濕度是指在一定溫度下，單位容積空氣中所能容納水汽的最大值。飽和濕度隨溫度的變化而變化，因此，在大氣壓和體積相同、溫度不同的情況下，飽和濕度是不相同的。

2.1.3 相對濕度

相對濕度是指大氣中實際水汽壓e與相同溫度條件下的飽和水汽壓E的比值[2]，可通過式（2）進行計算：

U = ×100%。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中，U為相對濕度，e為水汽壓，E為飽和水

汽壓。

2.2 露點溫度

露點溫度是指空氣中的水汽在含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度。露點溫度無法直接計算得出，但是可以根據(jù)馬格納斯公式以及相對濕度公式進行轉(zhuǎn)換推導(dǎo)得到[3]。馬格納斯公式如下：

e = E0×10。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

將式（2）代入公式（3），計算可得：

Td = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中，E0為溫度為0 ℃時的飽和水汽壓，一般取610.78 Pa；a為計算系數(shù)，在水面上a=7.69，在冰面上a =9.50；b為計算系數(shù)，在水面上b=243.92，在冰面上b=265.50；Td為露點溫度；e為水汽壓。

環(huán)境溫度、相對濕度和露點溫度之間的關(guān)系如圖3所示。

2.3 凝露

2.3.1 微波組件溫度變化分析

微波組件在試驗箱升降溫過程中，其溫度隨著試驗箱溫度的變化而變化，但因為微波組件具有一定的熱容，其殼體及內(nèi)部空氣的溫度變化滯后于試驗箱溫度變化。在試驗箱升溫過程中，三者溫度的關(guān)系為試驗箱內(nèi)溫度＞殼體溫度＞電子組件內(nèi)部空氣溫度，直至微波組件內(nèi)外溫度達到平衡；在試驗箱降溫過程中，三者溫度的關(guān)系為試驗箱內(nèi)溫度＜殼體溫度＜電子組件內(nèi)部空氣溫度，直至微波組件內(nèi)外溫度達到平衡。

2.3.2 凝露形成過程

（1）密封微波組件

微波組件在殼體密封后，其內(nèi)部含水量會相對固定，此時殼體內(nèi)部的絕對濕度ρ可通過式（1）和式（2）計算得出。

當微波組件組裝時的溫度為30℃，相對濕度為20%時，水的飽和蒸氣壓為2338.6 Pa，實際蒸氣壓為467.72 Pa（可換算為47.69 mmHg），水汽含量為45.49 g/m3。

當微波組件組裝時的溫度為-40℃時，水的飽和蒸氣壓為12.84 Pa（可換算為1.31 mmHg）；含水量為1.86 g/m3，-40℃水汽達到飽和時的含水量是30℃（相對濕度為20%）時含水量的1/24，是30℃（相對濕度為90%）時含水量的1/164。因此，在不同的相對濕度條件下，微波組件在低溫冷卻時產(chǎn)生的凝露量也不同。當微波組件封蓋時的相對濕度較小時，凝露現(xiàn)象不明顯，當微波組件封蓋時的相對濕度較高時，凝露現(xiàn)象較為明顯。

（2）非密封微波組件

微波組件由螺釘固定，雖然其蓋板上裝有屏蔽條、密封圈等具有一定密封作用的橡膠件，但在經(jīng)歷高低溫循環(huán)時，仍存在內(nèi)外氣體交換，微波組件內(nèi)部的氣體也遵循氣體狀態(tài)方程[4]規(guī)律，計算公式如下：

PV = nRT。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式中，P為氣體壓力；V為氣體體積；n為物質(zhì)的量；T為氣體溫度；R為摩爾氣體常數(shù)，一般取值8.315 Pa·m3/（mol·K）。

當微波組件腔體內(nèi)部氣體溫度?T發(fā)生變化時，其氣壓也隨之發(fā)生變化[5]，氣壓變化值?P的計算公式如下：

?P = ?T。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

微波組件的溫度從-40℃上升至70℃，再從70℃下降至-40℃時，就完成了一個溫度循環(huán)。在此過程中，微波組件的內(nèi)部腔體體積始終保持不變，根據(jù)氣體狀態(tài)方程可知，P1V1=n1RT1，P2V2=n2RT2。由于V1=V2，則可以推導(dǎo)出：

=。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （7）

式中，n1為當前溫度時的物質(zhì)的量，n2為下一個溫度時的物質(zhì)的量。

在溫度循環(huán)過程中，微波組件最終會達到內(nèi)外氣壓平衡，因此，根據(jù)式（7）可以計算出升降溫階段微波組件內(nèi)部水汽物質(zhì)的量，當微波組件從-40℃升溫至70℃時，n2=0.7n1，當微波組件從70℃降溫至-40℃時，n3=1.5n2=1.5×0.7n1=1.05n1。在降溫階段，水汽中減少的部分會凝結(jié)成水珠附著于殼體內(nèi)表面，同時，降溫過程中微波組件內(nèi)部氣壓小于外部氣壓，導(dǎo)致外部潮濕水汽進入微波組件內(nèi)部。一般情況下，微波組件的溫度篩選需要經(jīng)歷10個以上的溫度循環(huán)，因此，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，其內(nèi)部凝結(jié)的水珠也逐漸增加。

3 防凝露措施研究

在篩選過程中出現(xiàn)凝露的現(xiàn)象較為普遍，學(xué)者對篩選過程中的凝露問題進行了研究，并提出了相應(yīng)的解決措施，主要包括降低生產(chǎn)環(huán)境的濕度、階梯式升降溫或降低升降溫速率和空氣置換法等。

3.1 提高密閉性，降低環(huán)境濕度

通過試驗發(fā)現(xiàn)，密閉腔體中的濕度越小，低溫凝露的現(xiàn)象越難發(fā)生，因此，在生產(chǎn)過程中降低生產(chǎn)環(huán)境的濕度能夠有效防止腔體內(nèi)凝露的產(chǎn)生。

然而，微波組件中包含大量靜電敏感器件，環(huán)境濕度降低后極易產(chǎn)生靜電，進而影響產(chǎn)品質(zhì)量。微波組件蓋板采用螺釘緊固并配合屏蔽橡膠條密封，如再增加密閉效果，則需要更改設(shè)計。此外，對于微波組件而言，提高密閉性會增加較多的成本，而降低環(huán)境濕度會造成靜電積累，而靜電帶來的危害遠大于凝露造成的危害，因此該方法不適用于微波組件。

3.2 階梯式升降溫或降低升降溫速率

根據(jù)圖3可知，露點溫度低于空氣溫度，那么只要控制試驗箱溫度，使試驗箱的溫度變化與微波組件殼體、內(nèi)部空氣的溫度變化一致且處于露點溫度之上，則可避免凝露的產(chǎn)生。但是，微波組件的熱容較大，升降溫過程緩慢，會導(dǎo)致升降溫速率降低。根據(jù)GJB 1032A—2020《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》中的規(guī)定，篩選溫度變化率≥10 ℃/min，因此，當篩選過程對升降溫變化速率有較高要求時，采用階梯式升降溫或降低升降溫速率[6]的方法便會暴露出一定的弊端，甚至無法滿足環(huán)境應(yīng)力篩選的相關(guān)要求。

3.3 空氣置換法

在降溫環(huán)節(jié)，向試驗箱中注入干燥空氣，以此降低試驗箱中的水汽含量，進而降低試驗箱的濕度。隨著試驗箱濕度下降，進入微波組件內(nèi)空氣的露點溫度也隨之降低，從而達到減少凝露的目的。然而，干燥空氣發(fā)生器未對干燥空氣進行預(yù)處理（加熱或降溫），當干燥空氣被注入試驗箱后，會導(dǎo)致箱內(nèi)溫度發(fā)生改變，進而間接對試驗箱的升降溫速率產(chǎn)生影響。因此，該方法不適用于對升降溫速率有較高要求的試驗。

以上方法對減少篩選過程中的凝露現(xiàn)象均有較好的效果，但也存在一定的局限性。對于升降溫速率要求較高的試驗或靜電敏感器件，這些方法的適用性較差，因此，需探索新的方案以提升篩選后的烘干效率。

4 烘干措施

冷凝水蒸發(fā)即達到烘干效果，溫度越高，蒸發(fā)效果越明顯；空氣流動性越快，蒸發(fā)效果越明顯。

（1）提高烘干溫度

微波組件內(nèi)部一般含有鋁電解電容、固定電容硅膠、集成電路和阻容器件等，鋁電解電容不耐高溫，且集成電路等元器件也有最高存儲溫度，因此微波組件的烘干溫度一般為50℃。在不損壞微波組件性能的情況下，可以適當將烘干溫度提升至60～70℃。

（2）提高空氣流動性

氣流可以增強水汽的流動性與擴散作用，從而加快凝露的蒸發(fā)。通過設(shè)計專用篩選工裝或?qū)ξ⒉ńM件的蓋板進行二次加工，如增加蓋板開孔、降低微波組件的氣密性，從而達到提高空氣流動性的效果。篩選工裝或二次加工的蓋板在首次安裝時不安裝密封橡膠條，以實現(xiàn)重復(fù)利用，待微波組件完成篩選流程后再安裝正式蓋板。

通過試驗對比，在上述的兩種方法中，提高烘干溫度的方法成本較低，但因元器件的最高烘干溫度受限，溫度變化對烘干時間影響甚微。提高空氣流動性的方法中設(shè)計篩選工裝或二次加工的蓋板會增加一定成本，但對批量產(chǎn)品而言，均攤成本后費用極低。另外，該方法難度較低，且蓋板可重復(fù)利用，可大幅縮短微波組件的烘干時間。

5 結(jié)語

本文對微波組件在溫度循環(huán)篩選過程中形成凝露的原因進行分析，并對已有的防凝露方法在微波組件溫度循環(huán)篩選中的適用性進行研究。針對無法杜絕或降低凝露現(xiàn)象的篩選過程，提出了兩種在篩選后提高烘干效率的方法，并通過篩選試驗驗證了提高空氣流動性在實際應(yīng)用中的效果。該方法通過篩選工裝或蓋板二次加工，提高微波組件的氣密性，進而將飽和蒸汽擴散，顯著提高了烘干效率。

參考文獻

[1] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會. 電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法：GJB 1032A-2020 [S]. 北京：國家軍用標準出版發(fā)行部，2021.

[2] 王振會. 大氣探測學(xué)[M]. 北京：氣象出版社，2011：91-93.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 地面氣象觀測規(guī)范 空氣溫度和濕度：GB/T 35226-2017 [S]. 北京：中國氣象局，2017.

[4] MOORE W J. 基礎(chǔ)物理化學(xué)[M]. 江逢霖，等譯. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1992：9-22.

[5] 王雪冬，孔令華，蔣慶磊. 電子組件溫度循環(huán)中的凝露問題研究[J]. 電子質(zhì)量，2024（9）：40-45.

[6] 劉繼承. 電子產(chǎn)品低溫試驗中的防凝露技術(shù)[J]. 環(huán)境技術(shù)，2018，36（6）：7-10，15.