電子裝備環(huán)境試驗(yàn)故障影響因素分析

【摘要】對(duì)不同的環(huán)境應(yīng)力（溫度循環(huán)、高溫、低溫、振動(dòng)和濕度）下，電子裝備產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)故障影響因素進(jìn)行了分析。同時(shí)對(duì)引起故障的機(jī)理進(jìn)行了分析探討。歸納了不同的應(yīng)力暴露出的故障模式，對(duì)電子裝備產(chǎn)品暴露出的一些故障情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果提出了改進(jìn)可靠性試驗(yàn)方法的建議。

【關(guān)鍵詞】電子裝備；環(huán)境試驗(yàn)；故障影響因素分析；環(huán)境應(yīng)力關(guān)系

1.引言

目前，電子產(chǎn)品在武器裝備中的重要性越來(lái)越高，對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性要求也在隨之不斷提高。電子裝備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用結(jié)果表明，電子產(chǎn)品的故障率仍然是影響武器裝備及戰(zhàn)備完好性的主要因素之一。因此，研究電子產(chǎn)品故障與環(huán)境應(yīng)力間的關(guān)系，對(duì)于確定裝備中電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)方法、有重點(diǎn)地加強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)將起到極大的技術(shù)支持作用。國(guó)外的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于一般的電子產(chǎn)品，溫度、振動(dòng)和濕度對(duì)其的影響最大，分別占環(huán)境引起故障數(shù)的40%、27%和19%，因此考慮這三個(gè)因素的作用已經(jīng)覆蓋了86%以上的環(huán)境對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響。但是，國(guó)外的這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于我國(guó)電子裝備的符合性如何，我國(guó)電子裝備對(duì)哪些環(huán)境因素更為敏感，電子裝備中那些部位在那種環(huán)境因素作用下更易發(fā)生故障等均沒(méi)有進(jìn)行過(guò)較為系統(tǒng)的研究。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)可靠性試驗(yàn)的故障數(shù)據(jù)對(duì)電子裝備故障與環(huán)境應(yīng)力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)故障規(guī)律進(jìn)行了歸納，對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了實(shí)驗(yàn)室以最佳費(fèi)效比開(kāi)展可靠性試驗(yàn)的建議。

2.電子裝備故障機(jī)理分析

2.1 溫度循環(huán)誘發(fā)故障的機(jī)理

當(dāng)溫度在上、下限溫度循環(huán)時(shí)，電子設(shè)備交替膨脹和收縮，會(huì)使設(shè)備中產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變。如果某些電子裝備產(chǎn)品內(nèi)部有瞬時(shí)的熱梯度（溫度不均勻性），或產(chǎn)品內(nèi)部鄰接材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，則這些熱應(yīng)力和應(yīng)變將會(huì)加劇。這種應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谌毕萏幾畲螅鹬鴳?yīng)力集中的作用。這種循環(huán)加載使缺陷長(zhǎng)大.最終可大到能造成結(jié)構(gòu)故障并產(chǎn)生電性能故障。例如，有裂紋的電鍍通孔其周圍最終完全開(kāi)裂，引起開(kāi)路。熱循環(huán)是使釬焊接頭和印制電路板上電鍍通孔等產(chǎn)生故障的首要原因。持續(xù)時(shí)間受溫度循環(huán)次數(shù)控制，每次循環(huán).應(yīng)力應(yīng)變方向變化一次，循環(huán)次數(shù)也是應(yīng)力應(yīng)變方向的變化次數(shù)。溫度變化范圍越大，電子裝備產(chǎn)品內(nèi)受到的應(yīng)力，應(yīng)變范圍越大，產(chǎn)品內(nèi)缺陷發(fā)展為故障所需的應(yīng)力應(yīng)變次數(shù)（也即循環(huán)次數(shù)）越少。

溫度循環(huán)激發(fā)出的主要故障模式如下：（1）使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴(kuò)大；（2）使粘接不好的接頭松弛；（3）使螺釘連接或鉚接不當(dāng)?shù)慕宇^松弛；（4）使機(jī)械張力不足的壓配接頭松弛；（5）使質(zhì)量差的釬焊接觸電阻加大或造成開(kāi)路；（6）粒子污染。

2.2 高溫誘發(fā)故障的機(jī)理

在高溫的環(huán)境條件下，電子設(shè)備一般會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱的現(xiàn)象。過(guò)熱是電子設(shè)備產(chǎn)生故障的主要原因之一。故障是使設(shè)備性能退化的化學(xué)或物理變化引起的。因?yàn)殡S著溫度的增加，電子、原子、分子的運(yùn)動(dòng)速度加快，使得電子設(shè)備的性能發(fā)生變化。隨著設(shè)備的老化，這些變化逐漸出現(xiàn)；當(dāng)達(dá)到一定階段時(shí).就引起嚴(yán)重的故障。到產(chǎn)品產(chǎn)生故障的時(shí)間受這些化學(xué)或物理變化的過(guò)程的速率控制，而這一速率大致按指數(shù)規(guī)律隨溫度的升高而增加。已經(jīng)發(fā)現(xiàn).在高于一般室內(nèi)環(huán)境溫度（約20℃-25℃）范圍內(nèi)條件下，故障率大致按指數(shù)規(guī)律隨溫度的升高而增加。

高溫激發(fā)出的主要的故障模式如下：

（1）不同材料膨脹系數(shù)不一致使零件粘結(jié)在一起；（2）潤(rùn)滑劑粘度降低.潤(rùn)滑劑外流使連接處損失潤(rùn)滑能力；（3）包裝、村墊、密封、軸承和軸發(fā)生變形、粘結(jié)和失效，引起機(jī)械性的故障或破壞完整性；（4）溫度梯度的不同和不同材料膨脹不一致使得電子電路的穩(wěn)定性隨之改變；（5）有機(jī)材料退色、裂開(kāi)或出現(xiàn)裂紋；（6）變壓器和機(jī)電組件過(guò)熱；（7）繼電器和磁動(dòng)或熱動(dòng)裝置的接通/斷開(kāi)范圍變化。

2.3 低溫誘發(fā)故障的機(jī)理

低溫的影響與高溫相反，由于電子、原子、分子運(yùn)動(dòng)速度減小.導(dǎo)致物質(zhì)收縮、流動(dòng)性降低、凝結(jié)交硬。又因?yàn)橐睙?、軋制、設(shè)計(jì)形狀，切削刨傷、焊接淬火、鍛造塑性、彈性變形造成內(nèi)應(yīng)力，使構(gòu)件出現(xiàn)明顯脆性（冷脆現(xiàn)象）。

低溫激發(fā)出的主要故障模式如下：（1）材料發(fā)硬變脆；（2）各種材料收縮不一致和不同零部件膨脹率的差異使零件互相咬死；（3）潤(rùn)滑劑粘度增加，流動(dòng)能力降低，使?jié)櫥饔脺p小；（4）電子元器件（晶體管、電窯器等）的性能發(fā)生變化；（5）變壓器和機(jī)電部件的性能發(fā)生改變；（6）破裂和開(kāi)裂、脆裂、沖擊強(qiáng)度改變，強(qiáng)度降低；（7）受約束的玻璃產(chǎn)生靜疲勞。

2.4 振動(dòng)誘發(fā)故障的機(jī)理

隨機(jī)振動(dòng)是在很寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)產(chǎn)品施加振動(dòng)。產(chǎn)品在不同的頻率上同時(shí)受到應(yīng)力，使產(chǎn)品的許多共振點(diǎn)同時(shí)受到激勵(lì)。這就意味著具有不同共振頻率的元部件同時(shí)共振.從而使安裝不當(dāng)?shù)脑芘で?，碰撞等而損壞定額概率增加。振動(dòng)應(yīng)力對(duì)揭示那些對(duì)反復(fù)的結(jié)構(gòu)變形或相對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感的缺陷是有效的。電路板或?qū)Ь€接頭是在重復(fù)性應(yīng)力作用下可能導(dǎo)致?lián)p壞性裂紋增長(zhǎng)的例子。

振動(dòng)激發(fā)出的主要的故障模式如下：

（1）結(jié)構(gòu)部件、引線或元件接頭產(chǎn)生疲勞，特別是類適于導(dǎo)線上有微裂紋、微觀裂紋和類似的缺陷；（2）電纜磨損，如在松弛的電纜結(jié)處存在類似于尖緣那樣的缺陷時(shí)；（3）制造不當(dāng)?shù)穆葆斀宇^松弛；（4）安裝加工不當(dāng)?shù)募呻娐菲x開(kāi)插座；（5）匯流條及其連到電路板上的釬焊接頭受到高應(yīng)力引起的釬接頭薄弱點(diǎn)失效；（6）與可敬相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件橋形連接的元件引線沒(méi)有充分消除應(yīng)力而造成損壞，例如電路板前板的發(fā)光二極管或在背板散熱箱的功率晶體管；（7）已損壞或安裝不當(dāng)?shù)拇嘈越^緣材料中出現(xiàn)裂紋。

2.5 濕度誘發(fā)故障的機(jī)理

潮濕環(huán)境的影響是指產(chǎn)品或材料在潮濕條件下發(fā)生外觀或物理、化學(xué)和電性能方面的劣化并導(dǎo)致設(shè)備功能性失效綜合作用。在工作環(huán)境中有各種大氣污染物質(zhì)可能強(qiáng)化潮濕氣候的影響，例如各種腐蝕性氣體與潮濕的共同作用將加劇金腐蝕的速度，而某些容易吸收水分的塵埃將助長(zhǎng)試驗(yàn)樣品表面凝露或水氣吸收，從而加劇表面絕緣性能的下降。又如某些材料表面受潮后長(zhǎng)霉，這種霉菌濕潤(rùn)之后又會(huì)影響表面電阻下降，這些都會(huì)影響產(chǎn)品工作性能。

濕度激發(fā)出的故障模式主要有：（1）表面吸收。當(dāng)隱患與表面沾污有關(guān)時(shí)，吸收引起故障的機(jī)理是特別重要的。（2）毛細(xì)凝露。當(dāng)隱患與斷裂、縫隙和細(xì)孔有關(guān)時(shí)，毛細(xì)凝露是故障的主要機(jī)理。若水分以這種方式穿透表面保護(hù)層并作用于要保護(hù)的材料時(shí)，則很可能出現(xiàn)故障。（3）通過(guò)松散材料的擴(kuò)散是第三種故障機(jī)理。它通常不直接與隱患有關(guān)或很少有關(guān)。這種機(jī)理是很慢的，要幾天到數(shù)月。

3.電子裝備故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)看來(lái)，振動(dòng)、溫度和濕度對(duì)電子裝備的可靠性影響很大。但是，對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品的不同部件，它們對(duì)這三種應(yīng)力的響應(yīng)是不一樣的?，F(xiàn)把這三種應(yīng)力的作用范圍歸納如下：

3.1 振動(dòng)

重復(fù)應(yīng)力或相對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感的缺陷在振動(dòng)應(yīng)力下最易暴露。例如：電路板或?qū)Ь€插頭是在重復(fù)應(yīng)力作用下可能導(dǎo)致破壞性裂紋增長(zhǎng)。

振動(dòng)應(yīng)力主要誘發(fā)的故障模式如下：

（a）部件之間由于焊接不牢而斷開(kāi)；（b）部件安裝不當(dāng)時(shí)在振動(dòng)的情況下引起開(kāi)路；（c）振動(dòng)使得某些產(chǎn)品（如電機(jī)、電源）不能正常工作而導(dǎo)致故障；（d）在產(chǎn)品裝配時(shí)由于存在拉伸或剪切應(yīng)力而導(dǎo)致故障。

3.2 溫度

熱應(yīng)力主要誘發(fā)的故障模式如下：

（a）由于在高溫環(huán)境中不能充分冷卻或在低溫條件下同步不匹配造成的性能下降；（b）低溫使得某些元器件的性能不穩(wěn)定而造成故障；（c）由于熱膨脹系數(shù)不匹配，在熱應(yīng)力循環(huán)作用下產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

3.3 濕度

濕度應(yīng)力主要誘發(fā)的故障模式如下：

（a）產(chǎn)品受潮后性能退化；（b）產(chǎn)品內(nèi)部濕度累積到一定程度后在低溫狀態(tài)下結(jié)霜，導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)路；（c）產(chǎn)品內(nèi)部濕度累積割一定程度后導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部電路板爬電。

這三種應(yīng)力的作用時(shí)間也有一定的規(guī)律：

（1）溫度應(yīng)力引起的故障暴露最早；（2）振動(dòng)應(yīng)力引起的故障，在一定的時(shí)間累積后工藝故障、加工故障和元器件故障先后出現(xiàn)；（3）濕度應(yīng)力和綜合應(yīng)力引起的故障由于需要一定的時(shí)間累積，所以暴露的相對(duì)較晚；（4）60%的缺陷可以在前160h的綜合環(huán)境試驗(yàn)中暴露，并且可以大量暴露由溫度引起的元器件故障和振動(dòng)引起的工藝故障。

4.結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)本文的分析結(jié)果，建議在今后設(shè)計(jì)電子裝備的可靠性試驗(yàn)方案時(shí)可以考慮先進(jìn)行一定時(shí)間的綜合環(huán)境試驗(yàn)，這一時(shí)間可以根據(jù)不同產(chǎn)品的具體情況，考慮元器件的質(zhì)量水平、加工工藝水平等因素加以確定，如選擇200h、300h等。利用這一綜合環(huán)境試驗(yàn)暴露與溫度、濕度相關(guān)的故障、與溫度濕度綜合應(yīng)力相關(guān)的故障以及與振動(dòng)相關(guān)的早期故障。這一綜合環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間完成后，可以僅對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，按振動(dòng)加速原理采取加速試驗(yàn)方式進(jìn)行試驗(yàn)。這樣.既可以達(dá)到暴露產(chǎn)品故障的目的，同時(shí)還可以極大地縮短試驗(yàn)時(shí)間，從而提高可靠性試驗(yàn)的費(fèi)效比。