溫度濕度對產(chǎn)品的影響分析

傅釗

（廣州愛斯佩克環(huán)境儀器有限公司，廣東 廣州 510800）

1 引言

隨著市場對體積小、密度高且功能強的便攜式電子產(chǎn)品的需求增加，對新材料、新器件及新加工方法也提出了更高的要求。因此，幾乎所有的廠商都對其零配件供應(yīng)商要求供應(yīng)的零配件是滿足某些特定環(huán)境條件的合格產(chǎn)品。

評價產(chǎn)品價值不應(yīng)僅局限于對產(chǎn)品自身功能與性能進(jìn)行評價。換句話說，質(zhì)量是產(chǎn)品價值的基礎(chǔ)，產(chǎn)品價值取決于其自身質(zhì)量，也是廠家生存的根本。產(chǎn)品投放到市場后發(fā)生質(zhì)量問題時，性能的損壞程度并不直接影響產(chǎn)品成本，但對廠家來講最大的損失莫過于品牌信譽的損失。為了避免相關(guān)的損失，在產(chǎn)品投放市場之前，有必要對產(chǎn)品作質(zhì)量鑒定。環(huán)境試驗不僅能夠通過模擬試驗和產(chǎn)品壽命老化試驗來對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量鑒定，同時還是目前質(zhì)量保證體系中必不可少的先決條件。

環(huán)境試驗是確認(rèn)與改善工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的主要方法，也是可靠性試驗的重要組成部分。環(huán)境試驗大致可分為 “氣候環(huán)境試驗”、 “機械環(huán)境試驗”和“綜合環(huán)境試驗”。與氣候有關(guān)的環(huán)境試驗包括溫度、濕度、鹽霧及壓力等環(huán)境應(yīng)力試驗，而機械環(huán)境試驗則包括沖擊和振動等環(huán)境應(yīng)力試驗。這里僅介紹與氣候有關(guān)的溫度、濕度及高低溫溫度沖擊等對產(chǎn)品的影響。

環(huán)境應(yīng)力條件可以引起產(chǎn)品失效，美國航空公司的相關(guān)資料明確地表示了失效與環(huán)境應(yīng)力之間的關(guān)系（如圖1所示）。圖中可見，在各種應(yīng)力的影響之下，溫度和濕度環(huán)境應(yīng)力所引發(fā)的失效占所有環(huán)境應(yīng)力引發(fā)失效的60%左右。

2 溫度濕度環(huán)境對產(chǎn)品性能的影響

環(huán)境試驗始見于第二次世界大戰(zhàn)，當(dāng)時美軍出現(xiàn)了諸如從美國運至亞洲的機載電子設(shè)備，到達(dá)目的地后部分不能正常使用、將近一半以上的備用電子設(shè)備儲備在倉庫時就已經(jīng)失效的問題，由此引起美軍的極大重視。經(jīng)調(diào)查確認(rèn)，大多數(shù)設(shè)備的失效問題是起因于亞洲熱帶多雨潮濕環(huán)境下濕熱應(yīng)力的混合作用。

2.1 濕熱環(huán)境所導(dǎo)致的一般失效事例

高溫高濕條件作用于試驗樣品上，可以引發(fā)水汽吸附、吸收和擴散等問題。許多材料在吸濕后膨脹、性能變壞、引起物質(zhì)強度降低及其它主要機械性能的下降，吸附了水汽的絕緣材料會引起電性能下降及絕緣性能降低等。濕熱環(huán)境引起的失效問題可以匯總成表1。

2.2 塑封半導(dǎo)體器件腐蝕而引起的失效現(xiàn)象

在硅片上集成有大量電子元件的集成電路芯片及其元件通過導(dǎo)線連接起來構(gòu)成電路。鋁和鋁合金常被當(dāng)作集成電路的金屬導(dǎo)線使用。從進(jìn)行集成電路塑封工序開始，水汽便有可能通過環(huán)氧樹脂滲入，引起鋁金屬導(dǎo)線產(chǎn)生腐蝕進(jìn)而產(chǎn)生開路現(xiàn)象。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)行了各種改進(jìn)，包括：采用不同的環(huán)氧樹脂材料，改進(jìn)塑封技術(shù)以及提高非活性塑封膜，但是，隨著日新月異的半導(dǎo)體電子器件小型化發(fā)展，塑封鋁金屬導(dǎo)線腐蝕問題至今仍然沒有得到徹底的解決。濕氣滲透路徑一般歸結(jié)為：水汽滲入塑封殼的表面，水汽滲入環(huán)氧樹脂及引線的表面，最終水汽到達(dá)芯片的表面，滲透到晶片表面的水汽會引起鋁化學(xué)反應(yīng)。

表1 濕熱環(huán)境所引起的主要失效現(xiàn)象

在實際環(huán)境中，單純作為水的水分量并不足以產(chǎn)生故障，但只要有其它因素存在，因為水具有與其它因素容易結(jié)合、使周圍的物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的特點，往往就會導(dǎo)致電氣、電子產(chǎn)品發(fā)生故障。

在實際的市場環(huán)境中，由于構(gòu)成產(chǎn)品的材料相互間熱膨脹系數(shù)的不同而導(dǎo)致物理結(jié)構(gòu)上的扭曲變形，從而引發(fā)電氣、電子產(chǎn)品的故障。其結(jié)果是，造成膨脹率不同的材料的界面就會產(chǎn)生空隙。即使是同一種材料，所使用的密封材料自身也會發(fā)生龜裂的現(xiàn)象。通過這些空隙在較短的時間內(nèi)進(jìn)入的水分，或者經(jīng)過長時間從整體所滲入的水分，就會從連接通路的構(gòu)成材料的表面溶解進(jìn)各種各樣的污染物質(zhì)，或者滲透到達(dá)內(nèi)部的電氣回路。這樣就與回路的構(gòu)成材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電流和電場、磁場也會助長這個反應(yīng)。而且這個反應(yīng)受溫度的影響很大。這種單純的物理現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)按先后、或同時反復(fù)作為復(fù)合應(yīng)力作用的結(jié)果可以解釋導(dǎo)致產(chǎn)品功能老化、發(fā)生故障的原因。也就是說，可以認(rèn)為是物理原因和化學(xué)原因交替或同時進(jìn)行作用，加速了產(chǎn)品的老化，導(dǎo)致故障產(chǎn)生。因此，可根據(jù)故障機理進(jìn)行試驗，在生產(chǎn)過程中除去含有缺陷的產(chǎn)品，達(dá)到降低偶發(fā)故障期間的故障率，延長產(chǎn)品壽命的目的。

2.3 溫度冷熱沖擊而引起的失效現(xiàn)象

為了保證電子產(chǎn)品具有更高的可靠性水平，隨著產(chǎn)品耐濕性能的提高，除了相對固定式的溫度濕度試驗外，對溫度冷熱沖擊試驗的要求也越來越多，具體表現(xiàn)在：

1）為減少成本，采用新材料，新工藝；

2）整機的小型化使得元器件更加容易受熱；

3）加工過程中元器件可能會受到嚴(yán)重的熱應(yīng)力影響，例如：當(dāng)采用焊錫焊接時；

4）由于產(chǎn)品精度的要求，元器件連續(xù)地受到更大的熱應(yīng)力影響；

5）隨著便攜式電子產(chǎn)品的普及，產(chǎn)品使用環(huán)境變得更加復(fù)雜、苛刻；

6）可靠性要求及水平越來越高。

冷熱溫度沖擊不同于普通濕熱環(huán)境，它是通過冷熱溫度沖擊來發(fā)現(xiàn)常溫狀態(tài)下難以發(fā)現(xiàn)的潛在故障問題。決定冷熱溫度沖擊試驗的主要因素有：試驗溫度范圍、暴露時間、循環(huán)次數(shù)、試驗樣品重量及熱負(fù)荷等。

在國外，冷熱溫度沖擊試驗經(jīng)常作為產(chǎn)品出廠前的一種篩選試驗，對產(chǎn)品進(jìn)行100%的全數(shù)檢查。同時，冷熱沖擊試驗也作為加速可靠性試驗的一種方式被廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)階段。無論何種情況，試驗?zāi)康亩际菫榱嗽谳^短的時間內(nèi)確認(rèn)產(chǎn)品特性的變化，以及由于構(gòu)成元器件的異種材料熱膨脹系數(shù)的不同而造成的故障問題。這些變化可以通過將元器件迅速交替地暴露于超高溫和超低溫的試驗環(huán)境中觀察到。發(fā)現(xiàn)設(shè)備或零部件在設(shè)計上與制造上的隱患，降低產(chǎn)品故障率的方法。這就是冷熱溫度沖擊試驗要求日益增加的重要原因。

以下幾點是實際生產(chǎn)或使用環(huán)境中存在的，且具有代表性的冷熱溫度沖擊環(huán)境，這些冷熱沖擊環(huán)境常常是導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要原因。

a）溫度的極度升高而導(dǎo)致焊錫回流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

b）啟動馬達(dá)時周圍器件的溫度急速升高，關(guān)閉馬達(dá)時周圍器件會出現(xiàn)溫度驟然下降的現(xiàn)象。

c）設(shè)備從溫度較高的室內(nèi)移到溫度相對較低的室外，或者從溫度相對較低的室外移到溫度較高的室內(nèi)。

d）設(shè)備可能在溫度較低的環(huán)境中連接到電源上，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生陡峭的溫度梯度；或是在溫度較低的環(huán)境中切斷電源，可能會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生相反方向陡峭的溫度梯度。

e）設(shè)備可能會因為降雨而突然冷卻。

f）當(dāng)航空器起飛或者降落時，航空器機載外部器材可能會出現(xiàn)溫度的急劇變化。

環(huán)境試驗在發(fā)展初期主要是模擬地球上的自然環(huán)境來展開的。但是，現(xiàn)在的環(huán)境試驗早已脫離了當(dāng)初模擬試驗的范疇，基本上被認(rèn)為是人為的加速試驗。所以也有人把加速試驗定義為 “以縮短試驗時間為目的，比基準(zhǔn)更嚴(yán)格的條件下進(jìn)行試驗”。

但是，認(rèn)為能承受比基準(zhǔn)條件更嚴(yán)格的產(chǎn)品，即認(rèn)為其在使用環(huán)境下具有高可靠性，則顯得過于輕率了。事實上，即使能承受最為嚴(yán)酷的試驗條件的產(chǎn)品，在普通的環(huán)境下發(fā)生故障的例子也?？梢姷?。例如：聚酯等酯類樹脂在僅僅受到常溫應(yīng)力作用時，即使在150℃下其壽命也有數(shù)萬小時。其吸水率范圍為0.1%左右，即使吸水，其物性也是基本不變的。但是溫度和濕度同時作用時，如在20℃100%RH的條件下，有27年壽命的產(chǎn)品；在35℃100%RH的條件下其壽命僅為3天。另外，在加水分解時，存在金屬離子和堿離子；在聚丙烯的酸化分解時，如果存在遷移元素的銅和顏料，這些分解物起到了加速觸媒的作用，在短時間內(nèi)就可發(fā)生被分解物質(zhì)。

因此，不能完全相信在進(jìn)行加速試驗時，單單對試驗施加嚴(yán)酷的試驗條件就顯得足夠了。必須要正確把握試驗應(yīng)力的內(nèi)容，應(yīng)對個別應(yīng)力的組合效果進(jìn)行分析。除溫度外，潮濕也是導(dǎo)致電子設(shè)備失效的主要環(huán)境應(yīng)力之一。

3 結(jié)束語

從定性的觀點觀察產(chǎn)品的故障現(xiàn)象，一般是在產(chǎn)品所使用的材料物質(zhì)固有的老化原因和從外部來的物理的、化學(xué)的要因相組合時開始發(fā)生。產(chǎn)品受到自身及周圍的各種環(huán)境的影響，老化速度能加速，在反應(yīng)物質(zhì)消耗并產(chǎn)生穩(wěn)定的生成物的過程中，產(chǎn)品自身的性能降低或停止。造成故障的因素是多種多樣的，其中溫度和濕度（水分）為起因的現(xiàn)象是電氣、電子產(chǎn)品的可靠性課題研究者最基本的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。

環(huán)境試驗的實質(zhì)性工作是在試驗條件下，觀察產(chǎn)品的耐性，使產(chǎn)品的弱點早期曝露，對其弱點進(jìn)行改良，當(dāng)然，改良后的確認(rèn)試驗的必要性還是不可少的。

[1]中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗國家標(biāo)準(zhǔn)匯編[G].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.