GJB 150A濕熱試驗(yàn)中若干問(wèn)題探討

翁 雷，白顯毅

（江南計(jì)算技術(shù)研究所，無(wú)錫 214083）

0 引言

濕熱環(huán)境是引起電子產(chǎn)品失效的常見環(huán)境之一。美軍在二戰(zhàn)期間運(yùn)到亞洲參戰(zhàn)的機(jī)載電子設(shè)備，其失效原因多為亞洲熱帶多雨的潮濕環(huán)境[1]。一般自然界中最潮濕和炎熱的區(qū)域是在熱帶和亞熱帶地區(qū)，而根據(jù)美國(guó)海軍20世紀(jì)50年代對(duì)全球氣候的調(diào)查，亞洲地區(qū)濕熱環(huán)境最為嚴(yán)酷[2]，電子設(shè)備在這一地區(qū)最容易受到濕熱環(huán)境的影響。

因此，在電子設(shè)備的研制和生產(chǎn)中，人們十分重視防潮設(shè)計(jì)和應(yīng)用濕熱試驗(yàn)的手段來(lái)發(fā)現(xiàn)防潮設(shè)計(jì)缺陷和驗(yàn)證防潮設(shè)計(jì)對(duì)合同要求的符合性，各種通用環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（如 GJB 150/150A）中均有濕熱試驗(yàn)方法分標(biāo)準(zhǔn)。GJB 150A是剪裁標(biāo)準(zhǔn)，提倡根據(jù)裝備環(huán)境剖面、任務(wù)剖面等信息對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剪裁，指導(dǎo)用戶根據(jù)裝備的實(shí)際情況來(lái)選擇試驗(yàn)方法、試驗(yàn)順序和試驗(yàn)程序，并參照裝備技術(shù)條件確定試驗(yàn)條件及試件工作狀態(tài)，從而制定最佳試驗(yàn)方案。該標(biāo)準(zhǔn)還細(xì)化了試驗(yàn)條件的允差及試驗(yàn)前、試驗(yàn)中、試驗(yàn)后的信息，進(jìn)一步明確規(guī)定了試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理細(xì)則，增加了試件安裝、環(huán)境效應(yīng)和失效判據(jù)、試驗(yàn)報(bào)告、結(jié)果分析、監(jiān)控和監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。

GJB 150A中的濕熱試驗(yàn)方法相對(duì)于GJB 150發(fā)生了較大的變化。本文將在GJB 150A濕熱試驗(yàn)的應(yīng)用中，針對(duì)溫濕度剖面、試驗(yàn)剪裁和特殊要求等問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 濕熱環(huán)境效應(yīng)

在裝備的貯存、運(yùn)輸、使用中，溫度和濕度是最常見且通常相伴存在的環(huán)境因素。從美國(guó) Hughes航空公司對(duì)電子產(chǎn)品失效情況的統(tǒng)計(jì)與綜合分析可以獲知，引起裝備故障的各種環(huán)境中，溫度和濕度占到60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他環(huán)境（如圖1所示）。

圖1 各種環(huán)境應(yīng)力引起裝備失效的比例Fig. 1 The invalidation proportions of equipment under various environment stresses

濕熱環(huán)境對(duì)裝備的影響大部分是溫度和濕度綜合作用的結(jié)果。溫濕度的變化會(huì)使裝備及其材料內(nèi)部或表面出現(xiàn)凝露、吸附、吸收、擴(kuò)散等物理現(xiàn)象，從而導(dǎo)致金屬氧化或電化學(xué)腐蝕、加速化學(xué)反應(yīng)等表面效應(yīng)；會(huì)引起材料吸潮膨脹、物理強(qiáng)度降低和電氣絕緣性能降低等材料性質(zhì)改變；會(huì)產(chǎn)生凝露和游離水從而引起電氣短路、熱傳導(dǎo)特性變化等[3]。這些由濕熱引起的環(huán)境效應(yīng)對(duì)裝備的劣化有著重要的影響，因此對(duì)濕熱環(huán)境效應(yīng)的研究有助于判斷裝備是否需要進(jìn)行濕熱試驗(yàn)。同時(shí)，通過(guò)濕熱試驗(yàn)引發(fā)的凝露、吸附、擴(kuò)散等物理現(xiàn)象（如表1所示）不但復(fù)現(xiàn)了溫濕度對(duì)裝備的影響，還加速了設(shè)計(jì)缺陷的暴露。

表1 溫濕度引起的物理現(xiàn)象Table 1 Physical phenomena related with temperature and humidity

2 濕熱試驗(yàn)的發(fā)展歷程

濕熱試驗(yàn)是考核裝備耐濕熱大氣影響能力的一種試驗(yàn)方法[3]。其發(fā)展歷程是一個(gè)從復(fù)雜到簡(jiǎn)單，從模擬自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境到加速環(huán)境影響效應(yīng)的過(guò)程。

濕熱試驗(yàn)早期主要是以模擬裝備在貯存、運(yùn)輸和使用中的濕熱環(huán)境及其長(zhǎng)期影響為目的，但是這種模擬實(shí)際上并不能完全真實(shí)地反映裝備受到的濕熱影響。

隨著濕熱試驗(yàn)方法的不斷應(yīng)用，研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)根據(jù)裝備類型劃分試驗(yàn)程序比較煩瑣而且作用不明顯，因此在美軍標(biāo)810C之后的國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中不再考慮裝備的類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[4]。修改后的標(biāo)準(zhǔn)中，濕熱試驗(yàn)程序被劃分為自然環(huán)境循環(huán)程序、誘發(fā)環(huán)境循環(huán)程序和加速試驗(yàn)程序。前兩者分別是模擬裝備在自然濕熱氣候和人員活動(dòng)或裝備工作過(guò)程中的氣候環(huán)境的長(zhǎng)期影響，循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)可以采用典型的濕熱日循環(huán)數(shù)據(jù)。但這兩種程序試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，可操作性差，因此很難被廣泛采用。加速試驗(yàn)程序中的試驗(yàn)條件不會(huì)出現(xiàn)在自然界中，因此該試驗(yàn)程序不復(fù)現(xiàn)實(shí)際的溫濕度環(huán)境，而是復(fù)現(xiàn)溫濕度的影響。

目前，美軍標(biāo)810F等標(biāo)準(zhǔn)采用的濕熱試驗(yàn)去除了自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境循環(huán)程序，保留并改良了以發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷為目的的加速試驗(yàn)程序。實(shí)踐表明：這種試驗(yàn)程序效果明顯，可操作性好。

3 GJB 150A濕熱試驗(yàn)方法的應(yīng)用

GJB 150A等效采用了美軍標(biāo)810F中相應(yīng)的濕熱試驗(yàn)方法，是剪裁標(biāo)準(zhǔn)，也只有一個(gè)加速試驗(yàn)程序。對(duì)于使用人員來(lái)說(shuō)，則需要考慮其研究的設(shè)備是否需要進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，是否采用GJB 150 A中這個(gè)唯一的加速試驗(yàn)程序，進(jìn)行濕熱試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用什么樣的試驗(yàn)順序和試驗(yàn)設(shè)備等一系列問(wèn)題，因而需要對(duì)相關(guān)信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和剪裁。下面參考某型號(hào)計(jì)算機(jī)防火墻的濕熱試驗(yàn)，探討應(yīng)用GJB 150A濕熱試驗(yàn)方法時(shí)常見的幾個(gè)問(wèn)題。

3.1 裝備壽命期溫濕度剖面

依據(jù)GJB 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》，一個(gè)合理可行的溫濕度剖面要充分考慮裝備在裝卸、運(yùn)輸期間預(yù)計(jì)的狀態(tài)，可能遇到的環(huán)境及其有關(guān)的地理位置和氣候特性等8項(xiàng)內(nèi)容[5]。溫濕度剖面一般由裝備研制人員根據(jù)裝備實(shí)際情況制定，并結(jié)合裝備的耐濕熱適應(yīng)性要求，為濕熱試驗(yàn)方案提供剪裁信息。在構(gòu)成剖面圖的各種信息中，壽命期狀態(tài)、環(huán)境和工作載荷是最重要的內(nèi)容[6]，圖2所示某型號(hào)計(jì)算機(jī)防火墻的壽命期的溫濕度剖面就是通過(guò)這些內(nèi)容涵蓋了該防火墻所有可能出現(xiàn)的溫濕度情況。

圖2 某型號(hào)計(jì)算機(jī)防火墻溫濕度剖面Fig. 2 Temperature and humidity profile of a computer firewall

3.2 裝備耐濕熱環(huán)境的適應(yīng)性要求

裝備耐濕熱環(huán)境的適應(yīng)性要求在裝備研制之初就應(yīng)由使用方或承制方確定，它不僅是作為試驗(yàn)剪裁的依據(jù)，還是承制方開展耐濕熱適應(yīng)性設(shè)計(jì)的依據(jù)[7]。耐濕熱適應(yīng)性設(shè)計(jì)的措施主要有兩種：一種是減緩濕熱環(huán)境的嚴(yán)酷度，比如在貯存中采用防濕包裝或進(jìn)行干燥處理，選擇受濕熱影響小的運(yùn)輸途徑等；另一種是提高裝備自身的耐濕熱能力，比如選用耐濕熱材料或采用密封性設(shè)計(jì)等。

驗(yàn)證裝備耐濕熱環(huán)境適應(yīng)性要求的主要方法是濕熱試驗(yàn)，包括設(shè)計(jì)定型時(shí)的濕熱鑒定試驗(yàn)、批生產(chǎn)階段的環(huán)境驗(yàn)收試驗(yàn)和環(huán)境例行試驗(yàn)。由于壽命期狀態(tài)、環(huán)境和工作載荷等綜合條件的復(fù)雜多樣性，耐濕熱適應(yīng)性要求的量值是比較難確定的。一般來(lái)說(shuō)，獲取溫濕度量值主要有以下幾種途徑：1）根據(jù)裝備的使用或安裝平臺(tái)，獲取溫濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；2）當(dāng)不能獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，也可以根據(jù)安裝在相似平臺(tái)的相似裝備的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或其他經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)剪裁獲得；3）直接引用GJB 1172中的溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)方法剪裁

GJB 150A濕熱試驗(yàn)只有一個(gè)試驗(yàn)程序，一般不需要對(duì)試驗(yàn)程序進(jìn)行剪裁，剪裁的主要內(nèi)容是試驗(yàn)方法（即確定是否要進(jìn)行濕熱試驗(yàn)）和試驗(yàn)順序的選擇[8-9]。

需采用GJB 4239中規(guī)定的方法，根據(jù)在裝備壽命期內(nèi)出現(xiàn)的濕熱環(huán)境、裝備結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)和受到濕熱環(huán)境影響可能性，確定是否需要進(jìn)行濕熱試驗(yàn)。下面以某型號(hào)計(jì)算機(jī)防火墻為例具體說(shuō)明。

該計(jì)算機(jī)防火墻主要是由鋁合金機(jī)箱、印制電路板、集成電路組件和直流輸出電源等組成，用于青島和杭州地區(qū)。其中青島處于暖溫區(qū)，杭州處于亞濕熱區(qū)，因此杭州地區(qū)的濕熱環(huán)境對(duì)該設(shè)備的影響更顯著。實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，部署在杭州地區(qū)的防火墻出現(xiàn)較多故障，故障診斷發(fā)現(xiàn)其中大部分是多雨潮濕引起的，這種濕熱環(huán)境造成了某個(gè)塑封半導(dǎo)體器件的腐蝕，在更換了器件以后，故障消失。在意識(shí)到濕熱環(huán)境的嚴(yán)重影響以后，盡管進(jìn)行了耐濕熱設(shè)計(jì)和相關(guān)工藝的改進(jìn)，但是冷凝等濕熱應(yīng)力引發(fā)的效應(yīng)仍然對(duì)設(shè)備的印制電路板、集成電路等造成影響，可能會(huì)引起電路板離子遷移、材料吸收膨脹等失效模式。因此，該類型防火墻的設(shè)計(jì)必須考慮耐濕熱環(huán)境的能力，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)潛在缺陷，以改進(jìn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證其耐濕熱環(huán)境的適應(yīng)性是否符合規(guī)定的要求。

同其他試驗(yàn)一樣，濕熱試驗(yàn)順序的選擇也要遵循壽命期剖面或任務(wù)剖面順序的原則，但是因濕度對(duì)裝備影響方式的多樣性以及濕度引發(fā)的各種物理現(xiàn)象，對(duì)同一試件進(jìn)行濕熱試驗(yàn)前要分析各種試驗(yàn)之間的相互影響，將易受影響的試驗(yàn)放在濕熱試驗(yàn)之前進(jìn)行。另外，溫濕度還可與鹽霧、砂塵、霉菌等其他環(huán)境綜合，產(chǎn)生腐蝕和破壞等有害作用，因此，一般經(jīng)受過(guò)鹽霧、砂塵、霉菌等試驗(yàn)的試件不宜再進(jìn)行濕熱試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件的剪裁重點(diǎn)是循環(huán)周期數(shù)和試件的技術(shù)狀態(tài)。濕熱試驗(yàn)采用的是溫度在30～60 ℃之間變化、相對(duì)濕度95%的加速試驗(yàn)（如圖3所示），以24 h為一個(gè)循環(huán)周期，最少10個(gè)周期[3]。當(dāng)需要反映特殊裝備耐濕熱環(huán)境的能力時(shí)，可延長(zhǎng)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。盡管60 ℃和95%的相對(duì)濕度不會(huì)出現(xiàn)在實(shí)際平臺(tái)環(huán)境中，但是在發(fā)現(xiàn)潛在缺陷方面卻有顯著的效果。

圖3 濕熱循環(huán)控制Fig. 3 Damp heat cycle control

試件的技術(shù)（結(jié)構(gòu)）狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中溫濕度環(huán)境對(duì)試件的作用強(qiáng)度、溫濕度穩(wěn)定以及穩(wěn)定時(shí)間等都有一定的影響，因此試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量滿足試件的實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

3.4 濕熱試驗(yàn)的特殊要求

1）試件工作與性能檢測(cè)要求

為防止試件在已失效的情況下繼續(xù)試驗(yàn)造成資源浪費(fèi)，性能檢測(cè)一般要求在每5個(gè)循環(huán)結(jié)束前的4 h內(nèi)進(jìn)行一次性能檢測(cè)，當(dāng)4 h內(nèi)不能完成時(shí)，可延長(zhǎng)低溫保持時(shí)間直至檢測(cè)完畢。同時(shí)，如需開箱或?qū)⒃嚰瞥鱿潴w檢測(cè)，應(yīng)確保試件工作性能檢測(cè)在30 min內(nèi)完成，否則應(yīng)將試件在30 ℃、相對(duì)溫度95%條件下保持1 h再檢測(cè)。

2）試驗(yàn)通風(fēng)干燥要求

濕熱試驗(yàn)在完成初始檢測(cè)后，要在(23±2)℃、相對(duì)濕度（50±5）%下保持24 h，其目的是保證每次參與試驗(yàn)的試件具有相同的初始溫濕度條件，使測(cè)得的裝備性能具有可比性，避免因條件不一致造成檢測(cè)結(jié)果的爭(zhēng)議。

4 結(jié)束語(yǔ)

GJB 150A自發(fā)布以來(lái)日益受到重視，但是其剪裁標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)給使用人員帶來(lái)諸多困擾，本文著重對(duì)GJB 150A濕熱試驗(yàn)方法在使用中常見的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討，但由于裝備和實(shí)際試驗(yàn)的復(fù)雜性，要在具體操作中熟練掌握還比較困難，需要逐步深入地研究。在試驗(yàn)實(shí)施中還要特別關(guān)注以下幾項(xiàng)內(nèi)容，否則試驗(yàn)難以獲得顯著的效果。

1）濕熱試驗(yàn)中由于溫度交替變化，試驗(yàn)箱內(nèi)的水蒸氣壓力也將隨之發(fā)生變化，因此試驗(yàn)箱應(yīng)設(shè)置排氣孔，以防箱內(nèi)壓力急劇升高；2）試驗(yàn)中需防止箱壁的冷凝水滴落到試件上，以免引起濕熱影響以外的物理效應(yīng)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾；3）除水以外，還應(yīng)防止試件受到其他物質(zhì)的腐蝕，以免引起試件的劣化或影響試驗(yàn)結(jié)果；4）保證試驗(yàn)后的檢測(cè)與試驗(yàn)前的初始檢測(cè)具有相同的大氣環(huán)境，以便與基線數(shù)據(jù)比較，判別試件是否失效。

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