幾種電子設(shè)備密封失效原因分析及改進(jìn)措施

呂 強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，嘉興 314033）

引言

電子設(shè)備一般要求具有防潮濕、防霉菌、防鹽霧（簡稱“三防”）能力。密封結(jié)構(gòu)設(shè)計是將設(shè)備封閉在密封的外殼中，在其內(nèi)部形成無腐蝕性的微氣候環(huán)境，使設(shè)備完全不受水份、鹽霧、灰塵及其他腐蝕性介質(zhì)侵蝕，是電子設(shè)備防腐設(shè)計的一種常用方法[1]。不同的使用環(huán)境，如車載、室外、涉水等，密封性能要求各有不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計形式也多種多樣，但都必須保證設(shè)備能順利通過環(huán)境試驗(yàn)的考核。本文對三種電子設(shè)備在環(huán)境試驗(yàn)中出現(xiàn)密封失效的原因進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)措施，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證措施有效。

1 車載設(shè)備

1.1 故障現(xiàn)象

某車載系統(tǒng)經(jīng)過2年多時間的研制，順利完成了各項性能指標(biāo)測試，但在隨后進(jìn)行的交變濕熱試驗(yàn)時，單機(jī)開機(jī)后液晶顯示器不能正常工作。打開機(jī)箱發(fā)現(xiàn)機(jī)箱底板上有大量積水，液晶顯示屏模塊電路板外表有水汽覆蓋。擦拭后再接通電源，顯示屏開始有顯示，但仍有抖動現(xiàn)象，屏幕上面有兩條橫線，兩分鐘后，顯示屏變?yōu)楹谄?，后?jīng)幾次加電，一直無顯示。

1.2 原因分析

該單機(jī)為型材拼裝結(jié)構(gòu)，上下兩面采用封閉式蓋板，蓋板和機(jī)箱之間沒有使用橡膠密封條，如圖1所示。設(shè)備按GJB 150.9進(jìn)行交變濕熱試驗(yàn)，條件是：在2h內(nèi)，溫度由30℃上升至60℃，相對濕度為95%，保持6h，降溫時間為8h，相對濕度保持在85%以上，溫度降至30℃，保持8h，相對濕度為95%，要求進(jìn)行10個周期，共計10天。

在升溫階段，由于熱容原因，機(jī)箱表面溫度低于周圍空氣溫度，相對濕度為95%的氣體遇到冷物體時，很快形成飽和氣體并產(chǎn)生凝露[2]。機(jī)箱外表的凝露沿機(jī)箱縫隙滲透至內(nèi)部，形成積水。在高溫階段，機(jī)箱內(nèi)的積水產(chǎn)生蒸發(fā)，但由于氣流不暢，水汽不容易排出。周而復(fù)始，形成積水。

1.3 改進(jìn)措施和驗(yàn)證

采用加密封條阻止凝露滲透是一種解決方案，但是機(jī)箱和蓋板都需要重新設(shè)計和加工，且一旦密封條老化失效，故障仍會復(fù)現(xiàn)。考慮到單機(jī)內(nèi)部模塊級部件均采用了防腐蝕性能較強(qiáng)的防銹鋁材料，帶元器件印制板及機(jī)箱內(nèi)部所有表面均采用了“三防”漆涂覆的防護(hù)措施，具有較好的防護(hù)能力，且車載環(huán)境腐蝕氣氛并非嚴(yán)重，因此，采取在機(jī)箱上下蓋板增加透氣孔的改進(jìn)設(shè)計，如圖2所示。這樣的改進(jìn)措施既有利于高溫時內(nèi)部水汽蒸發(fā)，不易形成積水，也有利于機(jī)箱在升溫過程中，較快達(dá)到溫度平衡，減少發(fā)生凝露的時間，結(jié)構(gòu)返修的工作量也不大。改進(jìn)后的設(shè)備在交變濕熱試驗(yàn)后無積水產(chǎn)生，恢復(fù)到常溫后單機(jī)工作正常。

從這個案例中，我們可以初步得出這樣的結(jié)論：車載電子設(shè)備應(yīng)盡可能采用空氣通暢的結(jié)構(gòu)，盡量避免“似密非密”的設(shè)計方式。

2 背負(fù)設(shè)備

2.1 故障現(xiàn)象

某野外背負(fù)設(shè)備樣機(jī)研制已經(jīng)順利完成，但在小批量生產(chǎn)的浸漬試驗(yàn)時，發(fā)生批次性設(shè)備滲水故障，導(dǎo)致設(shè)備功能異常。浸漬試驗(yàn)條件按GJB 150.14，即：水下1m，浸漬時間2小時，如圖3所示。

2.2 原因分析

該設(shè)備尺寸381mm×298mm×140mm，重量10Kg，熱功耗216Kw。結(jié)構(gòu)采用了全密封設(shè)計方案：框架為整體釬焊形式，左右側(cè)板為散熱器，發(fā)熱器件直接安裝在側(cè)板內(nèi)側(cè)，以利于器件通過側(cè)板以自然冷卻方式進(jìn)行散熱，因?yàn)樵诮n條件下不可能使用風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻。發(fā)熱器件安裝螺釘采用硅橡膠進(jìn)行密封，上下蓋板采用硅橡膠密封條進(jìn)行密封。該設(shè)備的生產(chǎn)流程是：整機(jī)裝配→調(diào)試→環(huán)境試驗(yàn)→驗(yàn)收。

檢查后發(fā)現(xiàn)，問題主要出現(xiàn)在安裝螺孔的密封性上。在調(diào)試階段中，調(diào)試人員對安裝在側(cè)板的器件進(jìn)行過拆卸，調(diào)試性能參數(shù)。但在調(diào)試后，未返回整機(jī)裝配部門進(jìn)行重新補(bǔ)膠，導(dǎo)致螺紋密封受到破壞，水從破壞處滲透到機(jī)箱內(nèi)。

2.3 改進(jìn)措施和驗(yàn)證

對安裝螺紋進(jìn)行重新補(bǔ)膠后，滲水問題得到了解決。為使問題得到徹底解決，同時也便于設(shè)備今后維修，將通孔螺紋改為盲孔螺紋。即在側(cè)板外側(cè)和前面板內(nèi)側(cè)增加4-6mm高的凸臺，將側(cè)板上功放器件的安裝螺孔、前面板接插件安裝螺孔由原來的螺紋通孔改成凸臺形式的螺孔盲孔，提高了設(shè)備的可維修性。在隨后的浸漬試驗(yàn)中，未再出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

通過該問題，有兩方面值得注意：1）水密機(jī)箱上的安裝螺紋應(yīng)采用盲孔方式，便于調(diào)試和維修。2）浸漬試驗(yàn)前，應(yīng)事先對密封機(jī)箱進(jìn)行氣密性檢查，避免因密封失效帶來損失。

3 天線有源盒

3.1 故障現(xiàn)象

某天線在外場聯(lián)試階段后期，發(fā)現(xiàn)天線指標(biāo)出現(xiàn)異常，檢查后發(fā)現(xiàn)有源盒內(nèi)有較多積水，元器件發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，如圖4所示。

圖1 樣機(jī)外形（去蓋板后）

圖2 改進(jìn)后的蓋板

圖3 背負(fù)設(shè)備浸漬試驗(yàn)

圖4 天線有源盒腐蝕后的外觀

3.2 原因分析

外場試驗(yàn)時間在4～5月份，江南雨水多，空氣濕度大，晝夜溫差明顯。該天線有源盒為上、中、下三個獨(dú)立腔體，垂直疊加安裝，每個腔體上下兩面均有密封圈和蓋板，對外接插件安裝螺釘均采用盲孔形式。盒體進(jìn)水唯一的可能就是蓋板與盒體之間的密封失效，雨水和凝露從縫隙處滲透到盒體中，不能自然蒸發(fā)，周而復(fù)始，形成積水。

該密封圈規(guī)格為線徑?3.55mm，內(nèi)直徑?145mm，邵氏硬度70。蓋板材料為LY-CZ鋁合金，厚度3mm，直徑?160mm，緊固螺釘為M6，數(shù)量4個。

平面固定密封時，橡膠O型密封壓縮量一般取15%～35%[3]。當(dāng)壓縮量為15%時，邵氏硬度70的橡膠密封圈產(chǎn)生的最大接觸壓力為2MPa[4]。為校核該天線有源盒的密封性能，用Ansys workbanch軟件對蓋板進(jìn)行力學(xué)分析，邊界條件是：安裝孔為固定約束，密封圈接觸面壓力載荷為2MPa，如圖5所示。得到蓋板的最大變形量為0.71mm，如圖6所示。而蓋板實(shí)測變形量約為0.2mm，這說明蓋板接觸壓力并沒有達(dá)到2MPa，因此可以判斷，此蓋板未達(dá)到良好的密封效果。

3.3 改進(jìn)措施和驗(yàn)證

從上述分析得知，密封失效的主要原因是蓋板對橡膠密封圈的壓緊力不夠。解決措施有3種方式：①增加緊固螺釘數(shù)量；②增加蓋板厚度；③更換蓋板材料。為此，對8個螺釘、6mm厚度及鋼板分別進(jìn)行了仿真分析，重量和最大變形量的結(jié)果如表1所示。增加螺釘?shù)男Ч罴?，但是，原腔體無法使用，需要重新設(shè)計和加工；增加蓋板厚度效果次之，只需重做蓋板；改成鋼板，重量增加最大，效果沒有增加厚度好。綜合上述因素，采用增加厚度的方式，并通過了驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖5 蓋板力載荷

圖6 蓋板變形云圖

表1 不同改進(jìn)措施效果比對

使用O型橡膠密封圈時，壓縮量的校核是非常重要的，它決定了密封效果的好壞。但由于通常不用考慮電子設(shè)備內(nèi)部工作壓強(qiáng)，因此，校核工作往往容易被忽略。以蓋板理論變形和實(shí)際變形的比較來判斷橡膠壓縮量是否滿足要求是一種可行的方法。

4 結(jié)束語

電子設(shè)備密封的主要目的是隔絕外界腐蝕環(huán)境，保護(hù)內(nèi)部電路，使其在特定的環(huán)境下能長期可靠工作。使用的環(huán)境不同，其密封要求也是不同的。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮散熱、抗力學(xué)、“三防”、制造成本、制造工藝及維修性等方面的因素，采取有針對性的措施，才能起到事半功倍的效果。

[1] 邱成悌等. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，2005：437-440.

[2] 許建照等. 濕度、露點(diǎn)和干燥度[J].電子機(jī)械工程，2009，25(5)：25-27.

[3] 任金茹. O形密封圈與密封槽設(shè)計特點(diǎn)[J]. 紅旗技術(shù), 1995.3:5-11.

[4] 劉健等. 橡膠O形密封圈最大接觸壓力數(shù)值分析[J]. 潤滑與密封，2010,35(1)：41-44.