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從現(xiàn)象到原理,一次搞懂電子元器件濕熱試驗(yàn)

發(fā)布時(shí)間:2019-11-16 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電子元器件的濕熱試驗(yàn)分為恒定濕熱試驗(yàn)和交變濕熱試驗(yàn)兩類。恒定濕熱試驗(yàn)是為了確定元器件在高溫、高濕條件下工作或貯存適應(yīng)能力。而交變濕熱試驗(yàn)是用加速方式評(píng)估元器件及所用材料在炎熱和高濕條件(典型的熱帶環(huán)境)下抗退化效應(yīng)的能力。
 
下面我們就來聊聊兩種元器件濕熱試驗(yàn)的原理、試驗(yàn)設(shè)備、可能暴露的缺陷及關(guān)鍵點(diǎn)。
 
一 五種現(xiàn)象
 
濕熱試驗(yàn)中主要有5種物理現(xiàn)象,分別是吸附、凝露、擴(kuò)散、吸收和呼吸作用。
 
1、氣體分子(指水蒸氣分子)在空間運(yùn)動(dòng)可能碰撞固體物質(zhì)(受試產(chǎn)品)的表面,當(dāng)一定數(shù)量的氣體分子“停留”在受試產(chǎn)品表面上的濃度高于它在氣相中的濃度,從而產(chǎn)生凝結(jié),這種氣體在固體表面上“停留”的現(xiàn)象稱之為吸附。
 
2、凝露實(shí)際上是水分子在受試產(chǎn)品上吸附的一種現(xiàn)象,但它是在試驗(yàn)溫度變化時(shí)產(chǎn)生的。在升溫階段,受試產(chǎn)品表面溫度低于周圍空氣露點(diǎn)溫度時(shí),水蒸氣便會(huì)在受試產(chǎn)品表面凝結(jié)成液體形成水珠。在交變濕熱試驗(yàn)的升溫階段,由于受試產(chǎn)品的熱慣性,使它的溫度上升滯后于試驗(yàn)箱的溫度。
 
因此,表面便產(chǎn)生了凝露現(xiàn)象。表面凝露量的多少取決于受試產(chǎn)品本身的熱容量大小以及升溫速度和升溫階段的相對(duì)濕度。在交變濕熱試驗(yàn)的降溫階段,封閉外殼的內(nèi)壁比殼內(nèi)空氣降溫快、因此也會(huì)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。
 
3、擴(kuò)散是分子運(yùn)動(dòng)的一種物理現(xiàn)象。在擴(kuò)散過程中,分子總是從濃度大的地方向濃度小的地方遷移。濕熱試驗(yàn)中水蒸氣向濃度較低的材料內(nèi)部擴(kuò)散的。擴(kuò)散與絕對(duì)濕度、溫度及材質(zhì)有關(guān)。
 
4、吸收是指水蒸氣與空氣混合通過材料的間隙進(jìn)入材料內(nèi)部,它可以由擴(kuò)散、滲透或毛細(xì)管凝結(jié)三種物理過程綜合形成。擴(kuò)散和滲透除了與試驗(yàn)條件中的濕度(決定了水蒸氣壓力)和溫度有關(guān)外還與材料的擴(kuò)散或滲透系數(shù)有關(guān),這也就是說與受試產(chǎn)品的材質(zhì)有關(guān)。
 
5、具有封閉外殼的設(shè)備,若內(nèi)部有較大容積的空腔,當(dāng)試驗(yàn)溫度變化時(shí),空腔內(nèi)的空氣壓力隨之變化,由于這種壓力變化引起空腔內(nèi)外空氣的交流稱之為呼吸作用。
 
這種呼吸作用進(jìn)入空腔內(nèi)的潮氣量除與空氣中的濕度有關(guān)外還與試驗(yàn)條件的溫度變化速率和溫度變化范圍有關(guān)。
 
二 試驗(yàn)原理
 
1 恒定濕熱試驗(yàn)
 
恒定濕熱試驗(yàn)是指溫度濕度試驗(yàn)條件不隨時(shí)間變化的濕熱試驗(yàn)。產(chǎn)品的受潮作用主要是由水蒸汽吸附、吸收和擴(kuò)散三種物理現(xiàn)象引起,試驗(yàn)樣品使用場(chǎng)所環(huán)境溫度變化不大,產(chǎn)品表面不會(huì)產(chǎn)生凝露現(xiàn)象時(shí)應(yīng)選擇恒定濕熱試驗(yàn)方法。
 
高溫和高濕度的同時(shí)作用,會(huì)加速金屬件的腐蝕和絕緣材料的老化。對(duì)于半導(dǎo)體器件,如果水汽滲透進(jìn)管芯,還會(huì)引起電參數(shù)的變化。尤其在兩種不同金屬材料的鍵合處或連接處,由于水汽滲入會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng),從而使腐蝕速度大大加快。
 
此外,在濕熱環(huán)境中,管殼的電鍍層可能會(huì)剝落,外引線可能生銹或銹斷。因此,高溫高濕度的環(huán)境條件是考核器件穩(wěn)定性和可靠性的重要試驗(yàn)之一。
 
2 交變濕熱試驗(yàn)
 
交變濕熱試驗(yàn)方法是指溫度濕度條件,在24小時(shí)內(nèi)周期性地在高溫高濕和低溫高濕之間變化的一種濕熱試驗(yàn)。
 
當(dāng)試驗(yàn)樣處于交變的高濕、高溫條件下時(shí),水汽借助于溫度以擴(kuò)散、熱運(yùn)動(dòng)、呼吸作用和毛細(xì)現(xiàn)象等被吸入器件內(nèi)部。水汽的吸入量一方面和溫度、絕對(duì)濕度、時(shí)間有關(guān)(溫度越高,水分子的活動(dòng)能越大,水分子越容易進(jìn)入器件內(nèi)部。絕對(duì)濕度越大,水分子含量就越多,水分子滲入器件內(nèi)部的可能性也增大)。
 
另一方面與溫度變化率、溫差有關(guān)(溫度變化率則決定了單位時(shí)間內(nèi)“呼吸”的次數(shù);溫差的大小決定了“呼吸”程度的大?。8邷睾透邼穸鹊耐瑫r(shí)交變作用,會(huì)加速金屬配件的腐蝕和絕緣材料的老化。
 
交變濕熱試驗(yàn)與恒定濕熱試驗(yàn)不同,它采用溫度循環(huán)來提高試驗(yàn)效果,其目的在于提供一個(gè)凝露和干燥的交替過程,使進(jìn)入密封外殼內(nèi)的水汽產(chǎn)生“呼吸”作用,從而使腐蝕過程加速。在高溫下,潮氣的影響將更加明顯。
 
試驗(yàn)包括一個(gè)低溫子循環(huán),它能使在其他情況下不易發(fā)現(xiàn)的退化作用加速顯現(xiàn)。這樣,通過測(cè)量電特性(包括擊穿電壓和絕緣電阻)或進(jìn)行密封試驗(yàn)就可以揭示該退化現(xiàn)象。如果需要,交變濕熱試驗(yàn)還可以對(duì)某些元件施加一定的電負(fù)荷,從而確定載流元件特別是細(xì)導(dǎo)線和接點(diǎn)的抗電化學(xué)腐蝕的能力。
 
三 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
 
1、濕熱試驗(yàn)的設(shè)備為濕熱試驗(yàn)箱,恒定濕熱試驗(yàn)采用恒定濕熱試驗(yàn)箱,交變濕熱試驗(yàn)需采用高低溫濕熱試驗(yàn)箱。
 
2、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參見G82423.22,GB2423.34,GJBl50.9等。
 
3、在試驗(yàn)箱中產(chǎn)生潮濕條件的方法常有:a.水揮發(fā)加濕、b.氣泡加濕、c.噴霧加濕、d.蒸氣加濕。
 
從現(xiàn)象到原理,一次搞懂電子元器件濕熱試驗(yàn)
從現(xiàn)象到原理,一次搞懂電子元器件濕熱試驗(yàn)
恒定濕熱試驗(yàn)箱組成示意圖
 
從現(xiàn)象到原理,一次搞懂電子元器件濕熱試驗(yàn)
交變濕熱試驗(yàn)箱組成示意圖
 
從現(xiàn)象到原理,一次搞懂電子元器件濕熱試驗(yàn)
交變濕熱試驗(yàn)箱控制原理
 
四 缺陷暴露
 
濕熱試驗(yàn)中元器件常見暴露缺陷有外引線腐蝕、外殼腐蝕、離子遷移和封裝材料(絕緣、膨脹和機(jī)械性能)。
 
五 關(guān)鍵點(diǎn)
 
1、濕度測(cè)量是保證濕熱試驗(yàn)準(zhǔn)確的基礎(chǔ),常用的兩種類型,一種是用干濕球溫度計(jì)原理,另一種是用濕敏元件。目前在濕熱試驗(yàn)設(shè)備中用得較多的還是采用干濕球溫度計(jì)原理的測(cè)濕方法。
 
2、選用溫度計(jì)作干濕球測(cè)量元件時(shí),要注意選擇形狀、規(guī)格和性能一致的溫度計(jì)組成對(duì)。
 
3、溫濕度誤差包括了箱溫的波動(dòng)度(由控制造成的),均勻度(由箱體通風(fēng)和結(jié)構(gòu)造成的)及測(cè)試儀器三方面誤差之和。
 
六 為什么大部分產(chǎn)品都要做濕熱測(cè)試?
 
在可靠性實(shí)驗(yàn)中,濕度一般施加在高溫段,在對(duì)濕度誘發(fā)的故障機(jī)理分析的同時(shí)要考慮高溫及后期的低溫的綜合作用。在機(jī)械特性方面,濕氣侵入材料的表面進(jìn)材料分解、長(zhǎng)霉及形變等。
 
如果和高溫同時(shí)作用,絕緣材料的吸濕加快,甚至?xí)a(chǎn)生吸附、擴(kuò)散及吸收現(xiàn)象和呼吸作用,使材料表面腫脹、變形、起泡、變粗,還會(huì)使活動(dòng)部件摩擦增加甚至卡死;在電氣方面,由于潮濕,在溫度變化時(shí)容易產(chǎn)生凝霜現(xiàn)象,從而造成電氣短路。
 
潮濕引起的有機(jī)材料的表面劣化也會(huì)導(dǎo)致電性能的劣化,同時(shí)在高溫下潮濕還會(huì)導(dǎo)致接觸部件的觸點(diǎn)污染,使觸點(diǎn)接觸不良。
 
濕度誘發(fā)的主要故障模式有:1、電氣短路;2、活動(dòng)元器件卡死;3、電路板腐蝕;4、表層損壞;5、絕緣材料性能降低等。
 
從現(xiàn)象到原理,一次搞懂電子元器件濕熱試驗(yàn)
 
另外,對(duì)于其它類型的環(huán)境應(yīng)力和所能激發(fā)的故障類型也有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)中施加綜合應(yīng)力比施加單一應(yīng)力更能有效地加法產(chǎn)品的缺陷,因?yàn)槟骋画h(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品的影響會(huì)隨著另一種環(huán)境因素誘發(fā)得到加強(qiáng)并導(dǎo)致失效。
 
這就要求,在對(duì)具體產(chǎn)品進(jìn)行RET時(shí),必須深入分析各類型應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品各類型缺陷作用的機(jī)理,確定RET中各種應(yīng)力的優(yōu)秀綜合方式。
 
執(zhí)行與滿足標(biāo)準(zhǔn)
 
GB/T 11158-2008 高溫試驗(yàn)箱技術(shù)條件;
 
GB/T 10589-2008 低溫試驗(yàn)箱技術(shù)條件;
 
GB/T 10592-2008 高低溫試驗(yàn)箱技術(shù)條件;
 
GB/T 10586-2006 濕熱試驗(yàn)箱技術(shù)條件;
 
GB/T 5170.1-1995 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)檢定方法 總則
 
GB/T 5170.2-1996 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)檢定方法 溫度試驗(yàn)設(shè)備
 
GB/T 5170.5-1996 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)檢定方法 濕熱試驗(yàn)設(shè)備
 
GB/T 5170.18-1996 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)檢定方法 溫度/濕度組合循環(huán)試驗(yàn)設(shè)備
 
GB/T 2421-1999 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第1部分:總則
 
GB/T 2422-1995 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 術(shù)語
 
GB/T 2423.1-2001 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分:試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A:低溫
 
(idt IEC 60068-2-1:1990);
 
GB/T 2423.2-2001 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分:試驗(yàn)方法 試驗(yàn)B:高溫
 
(idt IEC 60068-2-2:1974);
 
GB/T 2423.3-2006 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分:試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Cab:恒定濕熱試驗(yàn)(IEC 60068-2-78:2001,IDT);
 
GB/T 2423.34-2005電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分:試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Z/AD:溫度/濕度組合循環(huán)試驗(yàn)。(idt IEC 60068-2-38:1974);
 
GB/T 2423.4-1993 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程 試驗(yàn)Db:交變濕熱試驗(yàn)方法(eqv IEC 60068-2-30:1980);
 
GB/T 2423.9-1989 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程 試驗(yàn)Cb:設(shè)備用恒定濕熱試驗(yàn)方法
 
GB/T 2424.1-2005電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 高溫低溫試驗(yàn)導(dǎo)則 (idt IEC 60068-3-1:1974);
 
GB/T 2424.2-2005電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 濕熱試驗(yàn)導(dǎo)則 (idt IEC 60068-3-4:2001);
 
GB/T 2424.5-2006電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 溫度試驗(yàn)箱性能確認(rèn) (idt IEC 60068-3-5:2001);
 
GB/T 2424.6-2006電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 溫度/濕度試驗(yàn)箱性能確認(rèn) (idt IEC 60068-3-6:2001);
 
GB/T 2424.7-2006電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 試驗(yàn)A和B(帶負(fù)載)用溫度試驗(yàn)箱的測(cè)量
 
(idt IEC 60068-3-7:2001);
 
GJB150-1-86 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 總則
 
GJB150-3-86 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 高溫試驗(yàn)
 
GJB150-4-86 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 低溫試驗(yàn)
 
GJB150-9-86 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 濕熱試驗(yàn)
 
 
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