高溫環(huán)境影響分析及標(biāo)準(zhǔn)測試和設(shè)計

魏開利，李飛，卜德平，果仕達

（廣電計量檢測（北京）有限公司，北京 100076）

引 言

要保證產(chǎn)品的可靠性，需要滿足在“規(guī)定的條件下”可以正常工作的首要因素，同時必須具有一定的裕量。而所有產(chǎn)品的“規(guī)定的條件”主要是其服役周期內(nèi)經(jīng)受的環(huán)境因素，包括溫度、濕度、振動、霉菌、鹽霧等等。這些環(huán)境因素中，高溫對產(chǎn)品的影響是不可忽略的，會導(dǎo)致很多產(chǎn)品發(fā)生失效。孟憲磊[1]對DC/DC 電源模塊高溫失效原因進行了分析，通過測試發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度升高會導(dǎo)致模塊內(nèi)變壓器磁芯溫度達到局里點附近，使模塊輸出為零；翟國富[2]對繼電器進行了常溫和高溫試驗考核，試驗發(fā)現(xiàn)繼電器的動合靜觸點在高溫條件下有燒穿的現(xiàn)象；莊少紅[3]分析了幾種環(huán)境應(yīng)力試驗導(dǎo)致的失效，分析出高溫環(huán)境會使金屬材料表面加速氧化；解玉豪[4]通過分析得出鋁化物涂層在高溫環(huán)境下容易發(fā)生熱氧老化腐蝕，通過添加微量元素而抑制熱氧老化的快速發(fā)生；胡敦等[5]對帶電作業(yè)EVA絕緣毯的力學(xué)性能進行了研究，通過試驗發(fā)現(xiàn)EVA 絕緣毯隨著溫度的升高其拉斷力呈現(xiàn)下降趨勢，EVA 絕緣毯隨著溫度升高其回彈性能較差、剛性較弱；王爭東等[6]分析了高壓大功率IGBT 的有機線性灌封材料在高溫環(huán)境長時間工作后會變黃、變硬以及變脆，介電性能下降導(dǎo)致；有相關(guān)資料表明高溫過熱導(dǎo)致IGBT 失效率高達55 %[7];高溫環(huán)境對產(chǎn)品、材料都會帶來一定的影響，尤其是電子產(chǎn)品，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計在軌衛(wèi)星的空間熱環(huán)境導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效占比高達49 %[8]。

因此，需要詳細分析高溫環(huán)境對產(chǎn)品的影響，并根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范設(shè)計測試方法，確定產(chǎn)品的高溫工作環(huán)境的裕量，確定其符合特性，為產(chǎn)品的后期使用及運維提供參考。

1 高溫環(huán)境影響分析

高溫環(huán)境對產(chǎn)品的影響是指產(chǎn)品在高溫環(huán)境中貯存和工作，其自身的功能性能是否滿足產(chǎn)品規(guī)范的要求。高溫對材料、組件、產(chǎn)品乃至設(shè)備的運行都會帶來影響，輕微會導(dǎo)致產(chǎn)品指標(biāo)超差，嚴(yán)重會導(dǎo)致產(chǎn)品失效，發(fā)生火災(zāi)等重大安全隱患事故?？偟膩碚f，高溫條件可以使得物質(zhì)內(nèi)部分子（原子、電子）運動速度加快，動能增加進而導(dǎo)致物體膨脹、物體狀態(tài)的變化。而高溫對材料、器件都會產(chǎn)生不利的影響。高溫條件下，對材料影響如下：

1）高溫條件會導(dǎo)致潤滑劑發(fā)生氧化進而導(dǎo)致潤滑劑粘度降低，流動性變差；

2）不同材料膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致咬死或松動；

3）包裝、襯墊以及密封墊發(fā)生變形，導(dǎo)致減振或密封失效；

4）密封或襯墊發(fā)生永久性硬化；

5）某些材料的褪色、裂解或裂紋。

高溫除了對材料會產(chǎn)生不利的影響，會導(dǎo)致電氣器件發(fā)生一系列的失效模式，詳細見表1。

表1 高溫對電氣元件的影響

高溫環(huán)境除了會導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生失效，還會使得某些材料如橡膠類材料、電子器件等壽命縮短，而對于橡膠材料、電子器件等，高溫對壽命的影響一般使用阿倫尼斯模型進行高溫條件下的壽命估計，其模型如下：

式中，

L ─壽命；

A ─與材料相關(guān)的常數(shù)；

Ea─激活能，單位是電子伏特；

K ─玻爾茲曼常數(shù)，k=8.617 1×10-5ev/℃；

T ─絕對溫度，為攝氏溫度加273.15。

2 高溫試驗標(biāo)準(zhǔn)測試及分析

針對產(chǎn)品的高溫試驗，不同行業(yè)有不同的標(biāo)準(zhǔn)。只有正確的選用并使用試驗標(biāo)準(zhǔn)，才可保證產(chǎn)品在高溫貯存和高溫使用中可靠性。產(chǎn)品除了要保證產(chǎn)品符合的高溫要求，一般還要對產(chǎn)品進行摸底，確定產(chǎn)品的設(shè)計裕量。

2.1 產(chǎn)品高溫極限測試標(biāo)準(zhǔn)及方法

對產(chǎn)品進行摸底試驗一般參考的可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 29309-2012《電工電子產(chǎn)品加速應(yīng)力試驗規(guī)程 高加速壽命試驗導(dǎo)則》。其高溫步進是通過對電子產(chǎn)品施加逐漸增大的應(yīng)力，在每一個步進值保持規(guī)定的時間進行該應(yīng)力條件下的功能性能測試。該方法可以確定產(chǎn)品的失效模式、產(chǎn)品設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)以及工作應(yīng)力極限與設(shè)計應(yīng)力極限之間的裕度，提升產(chǎn)品現(xiàn)場使用過程中的可靠性。當(dāng)通過HALT 試驗發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的工作極限與設(shè)計極限之間的裕度較少，由于批生產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中不能保持著初樣產(chǎn)品嚴(yán)格的生產(chǎn)過程控制，在后續(xù)的適用過程中批生產(chǎn)產(chǎn)品由于裕度較少從而會發(fā)生失效。高溫步進曲線參考圖1 所示。

圖1 高溫步進試驗曲線

2.2 民品高溫試驗標(biāo)準(zhǔn)及分析

民品的高溫試驗一般依據(jù)GB/T 2423 和IEC 60068 系列的標(biāo)準(zhǔn)。對于民品的高溫考核，一般要區(qū)分非散熱試驗樣品的高溫試驗和散熱試驗樣品的高溫試驗，這兩種類型樣品的試驗程序是不同的。同時，汽車電子類產(chǎn)品的高溫試驗一般參考的是GB/T 28046，標(biāo)準(zhǔn)中也是引用了GB/T 2423 系列標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 非散熱試驗樣品高溫試驗

非散熱試驗樣品，是指產(chǎn)品工作或帶負(fù)載的情況下其表面的溫升也不會超過規(guī)定的試驗溫度5 ℃以上，同時非散熱試驗樣品的溫箱內(nèi)采用高空氣流速。非散熱試驗樣品一般是將樣品以不包裝、不通電、按照正常使用的方式放置于溫箱內(nèi)，待樣品達到溫度穩(wěn)定后，進行通電測試。

2.2.2 散熱試驗樣品高溫試驗

散熱試驗樣品與非散熱試驗樣品相反，產(chǎn)品工作或帶負(fù)載的情況下其表面的溫升會超過規(guī)定的試驗溫度5 ℃以內(nèi)。散熱試驗樣品的高溫試驗箱內(nèi)采用低空氣流速，即工作時的氣流速度小于等于0.5 m/s，確保樣品上任一點由于空氣循環(huán)而降低5 ℃以上的溫度。散熱試驗樣品高溫試驗過程中可以采取兩種方式，一種是升溫過程中不通電，待樣品達到設(shè)定溫度穩(wěn)定后通電測試；另外一種是全程通電，即在升降溫過程、穩(wěn)定過程中全程通電。高溫穩(wěn)定后通電樣品由于通電會有一個短暫的溫升，對樣品影響較大。

2.3 軍品高溫試驗標(biāo)準(zhǔn)及分析

與民品高溫試驗標(biāo)準(zhǔn)不同，軍品高溫試驗中并未對產(chǎn)品進行散熱試驗樣品和非散熱試驗樣品的劃分。軍品高溫試驗分為貯存和工作兩種試驗條件。高溫貯存，分為恒溫儲存48 h 和循環(huán)貯存的至少7 個循環(huán)（每個循環(huán)24 h）的貯存；高溫工作包括恒溫工作2 h（溫度穩(wěn)定后）和循環(huán)工作（至少3 個循環(huán)）。同時，軍品高溫試驗規(guī)定了樣品的擺放，要求樣品與樣品之間、樣品與溫箱箱壁之間至少距離15 cm。高溫試驗的溫變速率，要求不超過3 ℃/min。

2.4 高溫試驗溫度穩(wěn)定

無論民品試驗還是軍品的高溫試驗，都要求樣品達到溫度穩(wěn)定后開始計時。一般來說，樣品的溫度穩(wěn)定時間為樣品的熱時間常數(shù)的3~5 倍，一般區(qū)4 倍[9]。樣品的熱時間常數(shù)為：

式中，

τ ─時間常數(shù)；

G ─質(zhì)量，g；

C ─熱容，J/K；

S ─散熱面積；

λ─散熱系數(shù)，W/cm2·℃。

3 產(chǎn)品的熱設(shè)計

高溫條件下，會對產(chǎn)品尤其是對電子產(chǎn)品中的元器件產(chǎn)生重要影響，會導(dǎo)致電子元器件發(fā)生失效，從而引發(fā)設(shè)備發(fā)生失效。而進行熱設(shè)計的目的是控制電子設(shè)備內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設(shè)備內(nèi)所處的環(huán)境溫度不超過器件本身最高允許的環(huán)境溫度。而電子產(chǎn)品的熱設(shè)計主要包括自然冷卻設(shè)計、強迫空氣冷卻設(shè)計以及液體冷卻設(shè)計[10]。下面介紹使用比較廣泛的兩種設(shè)計的方法及原理。

3.1 自然冷卻設(shè)計

電子設(shè)備的自然冷卻適用于小型、安裝密度較高的電子設(shè)備內(nèi)部冷卻。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，不需要外界動力。自然冷卻主要靠兩個方面，一是采取熱安裝原則；二是采用金屬導(dǎo)熱實現(xiàn)。

采用自然冷卻，板卡上的器件安裝一般遵循以下原則：

1）熱敏元器件應(yīng)放在設(shè)備的冷區(qū)<如底部，不可直接放在發(fā)熱元器件之上。

2）元器件的布置應(yīng)按其允許溫度進行分類，允許溫度較高的元器件應(yīng)放在允許溫度較低的元器作之上。

3）發(fā)熱量大的元器件應(yīng)盡可能靠近溫度最低的表面（如金屬外殼的內(nèi)表面、金屬底座及金屬支架等）安裝，并應(yīng)與表面之間有良好的接觸熱傳導(dǎo)。

4）應(yīng)盡可能減小安裝界面及傳熱路徑上的熱阻。

5）帶引線的電子元器件應(yīng)盡量利用引線的導(dǎo)熱。熱安裝時應(yīng)防止產(chǎn)生熱應(yīng)力,要有消除熱應(yīng)力的結(jié)構(gòu)措施。

6）電了元器件安裝的方位應(yīng)符合氣流的流動特性及提高氣流紊流程度的原則。為了提高散熱交果,在適當(dāng)位置可以加裝紊流器。

另外一種是通過鋁板或其他導(dǎo)熱金屬板將熱量通過外殼導(dǎo)熱出去，同時器件的布局也有一定的要求，如圖2 所示。圖中A 區(qū)為裝有高熱耗功率元件的高溫區(qū)，B區(qū)是裝有發(fā)熱元器件的中等溫度區(qū)，C 區(qū)為裝有不發(fā)熱元器件的低溫區(qū)，D 區(qū)是裝有熱敏元器件的最低溫度區(qū)。將這四種不同散熱器件按照圖2 的安裝，通過金屬鋁板進行散熱，可達到散熱要求。

圖2 加裝散熱器器的器件布局

圖3 強迫風(fēng)冷

3.2 強迫空氣冷卻設(shè)計

強迫空氣的換熱主要靠強迫對流作用。然而,熱設(shè)計時應(yīng)考慮導(dǎo)熱和輻射換熱的作用，在重量和成本許可的條件下，應(yīng)該最大限度地利用導(dǎo)熱,而輻射則要視具體情況而定。對流換熱的基本公式如下：

式中：

Φ ─對流換熱流量，W；

hc─對流換熱系數(shù)，W/（m2·C）；

A ─對流換熱面積，m2；

△t ─表面與流體之間的溫差，℃；

強迫空氣冷卻設(shè)計，一般就是通過通風(fēng)機或者風(fēng)扇，將設(shè)備內(nèi)部的熱空氣與外界的空氣通過通風(fēng)機或風(fēng)扇實現(xiàn)強迫對流換熱，達到降溫的目的。這種強迫空氣冷卻的方法，一般要求空氣通道不能阻塞，可以實現(xiàn)空氣順利流通。下圖是典型的通過風(fēng)扇實現(xiàn)強迫風(fēng)冷。

4 總結(jié)

本文介紹了高溫環(huán)境下對產(chǎn)品的影響，通過分析確定產(chǎn)品工作溫度一旦超過其允許的范圍，將會導(dǎo)致材料、器件乃至整個產(chǎn)品、系統(tǒng)發(fā)生失效。隨后，針對民品和軍品常用的高溫試驗方法進行了分析，介紹了不同類型樣品進行高溫試驗需要注意的事項，以及試驗方法；同時介紹了電子產(chǎn)品的熱設(shè)計的方法。通過高溫環(huán)境的影響及測試分析，充分了解高溫環(huán)境的危害，為大家進行高溫試驗提供參考和指導(dǎo)。