環(huán)境應(yīng)力篩選中濕度控制的研究

吳豪，李建剛，江思杰

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，武漢 430079）

引言

環(huán)境應(yīng)力篩選是通過向電子裝備施加合理的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力，將其內(nèi)部的潛在缺陷加速變成故障，其目的在于發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品的早期失效，使其在出廠時便進(jìn)入隨機(jī)失效階段，以固有的可靠性水平交付用戶使用。環(huán)境應(yīng)力篩選中溫度應(yīng)力可篩選出80%的缺陷，環(huán)境應(yīng)力篩選得到廣泛應(yīng)用，并已成為產(chǎn)品研制生產(chǎn)的一項非常重要的工藝手段，是產(chǎn)品質(zhì)量控制、檢查和測試過程的延伸。目前環(huán)境應(yīng)力篩選使用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)是GJB 1032-90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)的4.5款詳細(xì)闡述了環(huán)境應(yīng)力篩選所用的試驗(yàn)箱應(yīng)滿足的幾大要求，其中第六項條款上明確提出了溫度、濕度的控制，標(biāo)準(zhǔn)中4.4.1條也規(guī)定了溫度的偏差為目標(biāo)值±2 ℃，但是，濕度的控制范圍未明確具體的目標(biāo)參數(shù)要求，只是提出樣品上不出現(xiàn)凝露。而且在溫度循環(huán)應(yīng)力篩選試驗(yàn)中，篩選度計算公式如下：

式中：

R=TU-TL—溫度變化范圍；

TU、TL—上限溫度、下限溫度；

v—溫度變化速率；

N—溫度循環(huán)次數(shù)；

e=2.718 28表示自然對數(shù)的底。

從公式可以看出，篩選度只與上限溫度、下限溫度、循環(huán)次數(shù)、溫度變化速率有關(guān)，并沒有考慮因?yàn)闇囟鹊淖兓斐赡秾Y選度的影響，因此，工程人員都沒有注重濕度的影響因素，如何較好的踐行實(shí)施環(huán)境應(yīng)力篩選工作就是我們環(huán)境工程人員需要解決的問題。

本文以環(huán)境應(yīng)力篩選為對象，分析環(huán)境應(yīng)力篩選中凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生與危害，研究如何通過濕度控制來避免或減少環(huán)境應(yīng)力篩選過程中出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，提出了一種基于干空氣自動補(bǔ)償增壓的解決方案，并通過大量現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 環(huán)境應(yīng)力篩選中凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生及危害

1.1 環(huán)境應(yīng)力篩選中凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生

在武器裝備、軍民產(chǎn)品、元器件、板級與單元級模塊的環(huán)境應(yīng)力篩選中，溫度快速上升時很容易導(dǎo)致產(chǎn)品上出現(xiàn)凝露等物理現(xiàn)象，并因此產(chǎn)生：吸附現(xiàn)象、吸收現(xiàn)象、擴(kuò)散現(xiàn)象、呼吸現(xiàn)象。凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生與產(chǎn)品所用材料、腔體大小、升降溫速率、相對濕度、箱內(nèi)氣壓和空氣流速等因素都有關(guān)系。當(dāng)試驗(yàn)箱中環(huán)境溫度升高時，由于熱慣性，產(chǎn)品表面的溫度低于環(huán)境溫度，當(dāng)濕熱的環(huán)境空氣遇到低于露點(diǎn)的產(chǎn)品表面時，空氣中的水汽就會凝結(jié)在表面形成露滴。如果產(chǎn)品密封，當(dāng)試驗(yàn)箱中環(huán)境溫度降低時，產(chǎn)品外殼內(nèi)壁溫度比腔體內(nèi)空氣溫度降溫快，腔體內(nèi)濕熱空氣也會在產(chǎn)品外殼內(nèi)壁凝結(jié)成露滴。由于大多產(chǎn)品不是完全密封的，凝露現(xiàn)象一般出現(xiàn)在升溫階段。

1.2 環(huán)境應(yīng)力篩選中凝露現(xiàn)象的危害

通常情況下，單純的凝露水不足以導(dǎo)致產(chǎn)品故障，但在環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱中，凝露水會與其他因素融合產(chǎn)生物理/化學(xué)作用，從而影響產(chǎn)品的安全質(zhì)量，如金屬氧化/電化學(xué)腐蝕、有機(jī)和無機(jī)表面覆蓋層的化學(xué)或電化學(xué)破壞、摩擦系數(shù)的改變導(dǎo)致粘結(jié)或粘附、因吸收效應(yīng)導(dǎo)致的材料膨脹、物理強(qiáng)度降低、電氣短路等，引起的典型失效故障如表1。

圖1為應(yīng)力篩選時產(chǎn)生失效的示例。在環(huán)境應(yīng)力篩選中，控制凝露現(xiàn)象的發(fā)生是避免因非被試品因素產(chǎn)生凝露而造成故障的基本要求。

2 環(huán)境應(yīng)力篩選中濕度的控制

2.1 溫度箱內(nèi)防凝露的方法分析

在環(huán)境應(yīng)力篩選中，導(dǎo)致被試品表面出現(xiàn)凝露的根本原因是被試品表面的溫度低于溫度箱內(nèi)空氣的露點(diǎn)。那么，要防止被試品表面出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，有以下幾種可能的途徑：

①改善箱內(nèi)氣體的循環(huán)，使被試品在溫度箱中的溫度始終與箱內(nèi)氣體的溫度變化同步，且被試品的溫度與箱內(nèi)氣體的溫度之差很小，不足以讓被試品表面出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

②采取合適的措施，使箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)上升速率滯后于被試品表面的溫度上升速率，使箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)始終低于被試品表面的溫度，防止被試品表面出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

表1 濕度環(huán)境對產(chǎn)品的典型影響

圖1 應(yīng)力篩選時產(chǎn)生失效示例

③控制箱內(nèi)氣體的絕對濕度，使箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)始終低于箱內(nèi)氣體的下限溫度，從而避免被試品表面出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

在以上的控制途徑中，途徑①的困難很大，因?yàn)楸辉嚻返牟牧?、體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)都千差萬別，不同被試品的熱慣性差別很大，在箱內(nèi)氣體溫變速率確定的條件下，要保證所有被試品的溫變速率與箱內(nèi)氣體的溫變速率相同，且被試品與箱內(nèi)氣體的溫度差很小，這在工程上很難實(shí)現(xiàn)。而采取途徑②和途徑③具有一定的可行性，當(dāng)我們設(shè)法降低箱內(nèi)氣體的絕對濕度時，可以有效地降低箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)，以保證被試品的溫度高于箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)，防止被試品表面出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

經(jīng)過對環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)驗(yàn)的長期觀察，我們發(fā)現(xiàn)影響溫度箱內(nèi)氣體露點(diǎn)變化的因素主要有以下兩點(diǎn)：

①環(huán)境濕度：當(dāng)環(huán)境濕度較大時，箱內(nèi)容易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

②箱體的密封性：箱體的密封性越好，環(huán)境濕度對箱內(nèi)氣體的影響越小。

環(huán)境濕度是不可控因素，由于工作的需要或工程的原因，箱體很難做到絕對的密封。一般的溫度箱內(nèi)外不可避免有氣體交換，這是一般的溫度箱防凝露的困難所在。為了克服環(huán)境濕度通過箱體縫隙對箱內(nèi)氣體露點(diǎn)的影響，本文認(rèn)為，以一定的流量向箱體內(nèi)補(bǔ)充干燥空氣，使箱內(nèi)氣壓大于箱外大氣壓，阻止箱外水蒸氣進(jìn)入箱內(nèi)，控制箱內(nèi)濕度，從而保證箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)低于被試品表面溫度。

2.2 溫度箱內(nèi)氣體絕對濕度的影響因素

影響箱內(nèi)氣體露點(diǎn)的根本因素是箱內(nèi)氣體的相對濕度和氣體的氣壓。但箱內(nèi)氣體的絕對濕度為零或很低時，箱內(nèi)氣體在溫度下限以上將不會出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。而箱內(nèi)絕對濕度與箱內(nèi)氣體的初始含水量、干空氣的補(bǔ)充速度、箱內(nèi)外的氣體交換速度等因素都有關(guān)系。下面具體分析箱內(nèi)氣體絕對濕度的幾個影響因素：

2.2.1 干空氣的置換速度

設(shè)：進(jìn)入溫度箱內(nèi)的干燥空氣可以瞬時間與箱內(nèi)原有氣體均勻混合，f1為任意時刻絕對含濕量（g/kg），f0為初始絕對含濕量（g/kg），v為箱體體積，Q為干燥空氣的進(jìn)氣量（m3/s），t為時間（s）。則：箱內(nèi)氣體含濕量f1的變化量滿足以下的微分方程：

解方程（1）可得：

考慮箱內(nèi)干燥空氣與原有氣體混合需要一定的時間以及其它因素，可以將式（2）修正為：

式中：

τ—修正系數(shù)，它與干空氣的流量、箱體大小及結(jié)構(gòu)、箱體的密封性能因素有關(guān)。

可見，一定體積的溫度箱，通過干燥空氣置換的方法來降低箱內(nèi)氣體含濕量時，箱內(nèi)氣體的含濕量是按指數(shù)規(guī)律變化的，箱內(nèi)氣體含濕量越低，含濕量降低的速率越慢；要盡快降低箱內(nèi)氣體的絕對濕度，應(yīng)加大干空氣的進(jìn)氣量Q。

2.2.2 、箱內(nèi)氣溫的變化

箱內(nèi)氣溫的變化在箱內(nèi)產(chǎn)生兩方面的影響：改變箱內(nèi)氣壓、改變箱內(nèi)氣體的相對濕度。這兩方面的影響最終都將影響箱內(nèi)外水蒸氣的交換。

設(shè)：加速箱體是密封的，P0為箱內(nèi)初始?xì)鈮海ㄔO(shè)為大氣壓），箱內(nèi)容積氣體的初始質(zhì)量為m0，T0初始溫度，則，一定容積V0內(nèi)的氣體，氣壓P與氣體質(zhì)量m、溫度T的關(guān)系為：

由式（4）得：

當(dāng)箱內(nèi)氣體降溫，即ΔT＜0時，Δm＞0。因此，必須向箱內(nèi)補(bǔ)充至少Δm質(zhì)量的同溫度的干空氣，才能使箱內(nèi)的氣壓大于外界大氣壓P0。

由以上分析可知：當(dāng)箱內(nèi)氣溫降低時，要防止箱外水蒸氣進(jìn)入箱內(nèi)，必須往箱內(nèi)充入足量的干空氣，充入的干空氣量滿足：

2.2.3 、箱內(nèi)氣體流速的變化

箱內(nèi)氣體流速的變化影響箱內(nèi)氣壓分布的不均勻，它可以使箱內(nèi)局部區(qū)域產(chǎn)生相對于箱外大氣壓的負(fù)壓區(qū)，使箱外水蒸氣加速進(jìn)入箱內(nèi)。

忽略箱內(nèi)氣體密度的變化，則箱內(nèi)氣體流速v與氣壓P的關(guān)系為：

于是，氣體流動引起的氣壓變化ΔP2為：

可見，在箱內(nèi)氣體流速較快的地方，氣壓較低，容易在該區(qū)域出現(xiàn)氣壓小于大氣壓的負(fù)壓區(qū)。因此，箱內(nèi)中心區(qū)域的靜氣壓P應(yīng)滿足這樣才能保證箱內(nèi)氣體不會出現(xiàn)低于外界大氣壓的負(fù)壓區(qū)，從而防止外界空氣經(jīng)縫隙進(jìn)水蒸氣入箱體內(nèi)。

2.3 溫度箱內(nèi)氣體濕度控制的實(shí)驗(yàn)及其結(jié)論

假設(shè)篩選的上下限溫度為-10～+50 ℃，要保證溫度箱內(nèi)不出現(xiàn)凝露，必須保證2個條件：

①試驗(yàn)初期狀態(tài)的試驗(yàn)箱內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度高于-10 ℃，絕對含水量為1.59 g/kg，即在常溫條件下達(dá)到溫度25 ℃，相對濕度8 %[2]。

保證試驗(yàn)初期狀態(tài)的試驗(yàn)箱內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度高于-10 ℃，一般采用向試驗(yàn)箱內(nèi)注入干燥空氣，干燥空氣機(jī)處理后的空氣干燥度一般可以達(dá)到25 ℃，相對濕度1 %，絕對含水量0.19 g/kg，露點(diǎn)溫度可以達(dá)到-35 ℃，根據(jù)式（2）或式（3）估算補(bǔ)充干空氣所需的時間[2]。

②在試驗(yàn)期間保證箱內(nèi)的空氣和外面的空氣沒有交換，避免試驗(yàn)箱外含水量高的濕空氣進(jìn)入箱內(nèi)，從而保證箱內(nèi)氣體的絕對含水量控制在一定限制以下。

為滿足條件②，需要保證試驗(yàn)箱內(nèi)的氣壓永遠(yuǎn)高于環(huán)境大氣壓，影響氣壓變化的主要因素有溫度變化、溫度箱內(nèi)的風(fēng)速，以及外界干燥空氣的補(bǔ)充速度。通過干空氣的補(bǔ)充來調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣體，可以利用式（5）和式（7）來進(jìn)行估算一定溫變速率和氣體流速條件下，補(bǔ)充干空氣的流量大小。

為了驗(yàn)證本文理論分析的有效性和可行性，我們在在1 m3的常規(guī)快速溫度變化箱和進(jìn)行密封處理的低氣壓箱中進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：

1）注入干空氣置換實(shí)驗(yàn)及其效果

干燥空氣機(jī)處理后的空氣干燥度為25 ℃，相對濕度0.01 %，以160 L/min的速率向1 m3快速溫度濕度變化濕熱試驗(yàn)箱箱內(nèi)注入處理后的干燥空氣置換試驗(yàn)箱內(nèi)的濕空氣，2 h后也只能達(dá)到30 ℃，15 %RH（見圖1，露點(diǎn)溫度為0 ℃），理論上30 min內(nèi)可以達(dá)到25 ℃，相對濕度0.1 %。

造成干燥空氣置換不充分有兩個原因，一是干燥空氣進(jìn)入箱體后沒有得到充分混合就排出，因?yàn)檫@是一個漸次混合-排出的循環(huán)過程，導(dǎo)致延遲了干燥時間；二是箱體的密封不好，干燥空氣的流量小不足以使得有間隙的地方都能向外排出，有的間隙地方還會向箱內(nèi)流動，而要大流量的干燥空氣是比較困難，所以第二種原因是影響的主要因素，要解決這個問題先分析下箱體的結(jié)構(gòu)，箱體存在著較多不密封的因素：

①防止氣壓升高的壓力平衡孔；

②加濕水系統(tǒng)的管路；

③預(yù)留進(jìn)行檢測的引線孔；

④軸流風(fēng)機(jī)的軸處的密封；

⑤制冷蒸發(fā)器的管路處的密封；

⑥門的密封。

圖1 僅達(dá)到30 ℃，15 %RH

排除上述因素影響后，以低氣壓箱結(jié)構(gòu)按照上述條件1 h后達(dá)到常溫27 ℃，相對濕度0 %（見圖2），說明箱體的密封的好壞直接影響到初始狀態(tài)的干空氣處理效果。

2）增加箱內(nèi)氣壓法防止箱外水蒸氣進(jìn)入箱內(nèi)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在試驗(yàn)前干燥空氣置換掉試驗(yàn)箱內(nèi)的濕空氣，還需要保證試驗(yàn)箱外的濕空氣不再進(jìn)入到試驗(yàn)箱內(nèi)，這樣，可以確保試驗(yàn)箱內(nèi)的露點(diǎn)溫度足夠高而不至于產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，這需要試驗(yàn)箱內(nèi)存在氣流交換的間隙地方氣壓永遠(yuǎn)高于環(huán)境大氣壓，一組循環(huán)過程中沒有注入和注入干空氣提升箱內(nèi)的壓力的對比圖見圖3和圖4。

數(shù)據(jù)表明，露點(diǎn)溫度得到大幅下降，所以，不會在篩選試驗(yàn)中產(chǎn)生凝露現(xiàn)象。

3 環(huán)境應(yīng)力篩選中濕度控制的工程設(shè)計

經(jīng)過長期的試驗(yàn)分析與研究，要防止環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中凝露問題需要在兩個方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計：

3.1 試驗(yàn)箱門的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照低氣壓箱的結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行密封和強(qiáng)度的設(shè)計，強(qiáng)度可以降低，同時，門處只是考慮到了負(fù)壓時門的密封性好，正壓時門的密封性很差。所以，需要對其門的密封進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少注入的干燥空氣的流失，預(yù)防箱內(nèi)壓力難以保持正壓造成內(nèi)外空氣的交換。

3.2 濕度控制設(shè)計

考慮到在升溫的時候需要減壓保持箱內(nèi)的壓力不至于過高，還需要有排氣的位置，避免壓力過高損壞產(chǎn)品，在降溫的時候需要增壓保持箱內(nèi)的壓力不至于過低，這就需要補(bǔ)充干燥空氣，避免壓力過低將箱外的濕空氣吸進(jìn)箱內(nèi)導(dǎo)致濕度升高[3]。經(jīng)驗(yàn)值認(rèn)為試驗(yàn)箱內(nèi)壓力高于試驗(yàn)箱外壓力2 kPa對裝備產(chǎn)品沒有影響。因此，試驗(yàn)箱箱體設(shè)計有可以控制的防止壓力升高/降低的壓力平衡裝置2個，一個用于高溫降到低溫過程時補(bǔ)充干燥氣體，一個用于低溫升到高溫時排放膨脹氣體。

在壓力平衡裝置箱體端處增加壓力傳感器，在控制面板上擴(kuò)展壓力測試界面，并設(shè)定容差范圍，超出容差時給電磁閥通斷信號，進(jìn)行排氣/充氣，保障壓力一直高于環(huán)境大氣條件壓力2 kPa。

在試驗(yàn)箱內(nèi)加裝配置溫度濕度一體化傳感器，在控制面板上擴(kuò)展?jié)穸葴y試界面，在進(jìn)行試驗(yàn)前的干燥空氣預(yù)處理時，可以觀察到試驗(yàn)箱內(nèi)的濕度情況能夠達(dá)到常溫狀態(tài)下，濕度為0，延遲30 min后有聲響提示，工作人員只有觀察干燥處理達(dá)到時才開始進(jìn)行試驗(yàn)，并且，在試驗(yàn)過程中可以實(shí)時監(jiān)測到試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度濕度情況，確保試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣干燥。

圖2 達(dá)到27 ℃，0 %HR

圖3 10 ℃，15 %露點(diǎn)溫度僅能達(dá)到-5 ℃

圖4 -10 ℃，3.4 %，露點(diǎn)溫度為-40 ℃，絕對含水0.054 g/kg

3.3 增加一臺空壓機(jī)和空氣干燥處理機(jī)

處理的能力可以達(dá)到100 L/min，絕對含水量近似為0，在預(yù)處理時通過電磁閥控制置換試驗(yàn)箱內(nèi)的濕空氣，在試驗(yàn)過程中箱內(nèi)壓力達(dá)不到時補(bǔ)充干燥空氣提高箱內(nèi)壓力，均在控制器中編程控制，具有干燥空氣注入濕度達(dá)到0并延時1 h后，提示可以進(jìn)行正式試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中通過壓力檢測信號控制電磁閥的開關(guān)，達(dá)到保證箱內(nèi)正壓的功能。

4 結(jié)論

本文以環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱中的凝露問題為研究對象，以本中心現(xiàn)有試驗(yàn)條件為基礎(chǔ)，分析環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生與危害，通過理論闡述與公式推導(dǎo)對如何改進(jìn)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中的凝露現(xiàn)象展開研究，結(jié)合機(jī)械工藝與自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)與控制上的改進(jìn)，從而避免或減少環(huán)境應(yīng)力篩選過程中凝露現(xiàn)象的發(fā)生，并應(yīng)用到本中心環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中。