濕度顯示卡在防水試驗中的應用

李 西，陳顯顧，詹 煬

（深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055）

引言

目前，防水試驗在數字電子產品可靠性測試中扮演重要角色。在防水試驗中，傳統的簡單目測已無法滿足對產品防水結構失效的分析要求。傳統的目測僅能簡單判斷產品進水與否，試驗后檢查往往僅能顯示積水的最終位置，無法準確定位試驗中水滴所經過的電子元器件，以致無法確定危害程度，這對失效產品的日后整改帶來巨大困難，因此準確對產品內部進水路徑進行監測顯得日益重要。利用濕度顯示卡遇水變色的特點，測試人員能夠準確定位進水路徑與分析防水結構失效的原因。

1 IP防水試驗概述

在當前驗證產品防水性能的試驗中，GB 4208/ IEC 60529是當前最廣為應用的防水試驗標準之一。GB 4208/IEC 60529標準中規定第二位特征數字表示外殼防止由于進水而對設備造成有害影響的防護等級。對不同的防護等級(表1)，標準中規定了對應的試驗方法與判定條件。

表1 IP防水等級含義[1]

2 產品主要使用的防水結構和設計

產品主要使用的防水結構方法有打防水乳膠、塑膠注塑和O型密封圈等方法進行密封。O型密封圈是最普遍采用的一種防水方式。O型圈為截面為圓環形的密封圈，被應用于各種腔體零件的密封。通常情況，O型密封圈由人造橡膠所制成，在特殊情況中，O型密封圈也可由PTFE或熱塑性材料代替[2]。O型密封圈的主要用途是制造密封環境，對氣體或液體進行腔室的隔絕。

O型圈密封設計通常是由O型圈與凹槽所組成。O型圈為人造橡膠制的圓截面圈體。凹槽通常是對金屬或其他硬質材料切削所制成，用以容納橡膠O型圈，以此形成密封環境[2]（見圖1）。

3 濕度顯示卡布置的設計方法

3.1 濕度顯示卡介紹與應用

濕度顯示卡為能夠顯示當前環境濕度狀況的卡片，用戶可通過濕度顯示卡顏色的變化來判斷當前濕度狀況。當環境狀況濕度達到濕度卡標示顯示濕度值時，濕度卡顏色可由干燥色轉變為吸濕色（濕度顯示卡見圖2）。

圖1 典型的O型圈密封結構剖面圖

圖2 濕度顯示卡

根據濕度顯示卡變色特點，靈活運用濕度顯示卡可顯著改善防水試驗的效果。濕度顯示卡運用于防水試驗的特點有：

1)可觀測性：對結構復雜的設備，通常結構深處的進水難以直接通過目測發現。通過濕度顯示卡的設置，能夠通過直接設置顯示卡于不易觀察處，通過顯示卡顏色的變化替代傳統的目測。

2)朔源性：傳統的目測僅能發現試驗后樣品積水位置，通常試驗后大部分進水位都積聚于樣品底部，難以判定樣品進水位置與流經的電子元器件，對試驗的朔源與結果的判定造成困難。通過濕度顯示卡位置的合理設定，能夠直觀地對進水路徑進行尋跡與初始失效位置的朔源定位。

3)易用性：濕度顯示卡的使用具有良好的易用性。使用過程簡便、快捷，能夠在短時間內完成對試驗樣品的制備。

3.2 濕度顯示卡布置原則

濕度顯示卡的位置設置需首先對樣品的防水特性及內部結構進行分析。顯示卡的布置位置需要著重考慮對樣品進水敏感的位置，較為常見的位置是外殼進水后會影響設備正常操作或破壞安全性的元器件、可能導致沿爬電距離引起漏電起痕的絕緣部件、可能導致短路的線路、各種帶電部件等。

布置濕度顯示卡的關鍵位置：

1)關鍵導電元器件：關鍵導電元器件對設備正常工作與安全性起直接影響，通常此類元器件包括電子芯片、內部供電電池，負責設備主要功能的相關器件等（圖3，設置濕度顯示卡用于觀察設備內部電池進水情況）。

圖3

2)供電電路接口：供電電路接口進水易導致設備短路，由于水的張力影響，水滴易積聚于接線口孔隙深處而不被發現，因此對其周邊部位設置濕度顯示卡即可容易觀察是否存在水滴經過或流入縫隙（見圖4，設置濕度顯示卡于電路輸入端子）。

3)外殼密封邊緣處：外殼密封邊緣設置濕度顯示卡，主要用途為觀察設備外殼接口密封情況。此處設置濕度顯示卡能方便觀察到密封膠條失效的具體位置，同時也是判斷樣品腔體是否進水的關鍵依據。外殼密封邊緣處濕度顯示卡的數量應設置較高的密度，使得密封膠條失效位置的判斷更加精準（見圖5）。

4)外部引線口：外部出線口應放置濕度顯示卡進行觀察。樣品外部出線口通常會因線材的尺寸與或使用中受力等原因而出現縫隙。尤其進行IP等級強噴水試驗時，引線口處的絕緣塑膠與線體表面或機體外殼的壓力不夠，噴水易使之間產生縫隙而造成腔體進水（見圖6）。

3.3 使用濕度顯示卡的注意事項

1)使用過程中，應正確使用鑷子等夾持物對濕度顯示卡進行操作，切勿直接用手對顯示卡進行夾取。敏感的顯示卡易被手中的汗液等物質所污染。

圖4

圖5

2)濕度顯示卡使用過程中，應注意使用環境的溫濕度。環境濕度過大易導致顯示卡提早由干燥色轉變為吸濕色，造成觀測困難或試驗結果偏差。

3)濕度顯示卡應牢固粘貼在產品上，防止因搬運或試驗過程中的振動導致顯示卡可能出現的移位。

4)應根據環境溫濕度選擇具有合適濕度感應范圍的顯示卡。過低的標示值易導致濕度顯示卡過于敏感或提前變色，同時對顯示卡的使用環境提出了過于嚴酷的環境要求。通常使用濕度標示值于40%RH～60%RH的顯示卡。

4 實例應用

4.1 產品防水結構分析

本次試驗用樣品采用O型密封圈防水結構，試驗過程著重考察O型圈防水性能。O型密封圈鑲嵌在金屬凹槽內，通過蓋板對O型密封圈的擠壓來實現腔體密封。通過分析O型密封圈的材質與結構特點，總結出O型密封圈密封不良的原因如下：

1)高溫：O型密封圈橡膠于高溫條件下發生老化，導致密封圈發生變形、彈性下降、軟化等質量下降[3]。

2)壓力不均：固定蓋板螺絲扭矩不同，蓋板下壓力不均，導致O型圈變形程度不一。O型圈變形量不同易導致孔隙產生，致使防水結構失效。

3)設計與加工：O型密封圈密封效果很大程度上取決于正確的規格選定與密封結構的加工質量，錯誤的設計或劣質加工均會對防水性能造成影響，例如規格尺寸的選擇、材質選擇、加工精度、橡膠質量等。[4]

圖6

4.2 試驗流程

1)環境條件控制：本次試驗濕度顯示卡選用50%RH等級，因此對腔體進行顯示卡布置時需對環境溫濕度進行嚴格控制。如條件許可，可在恒溫/恒濕室中進行。根據本次采用的顯示卡的感應等級，環境溫度控制在20℃～25℃，環境濕度需控制在50%RH以下。

2)濕度顯示卡布置：本次試驗驗證重點為O型圈防水結構，因此需將濕度顯示卡沿O型圈卡槽位置進行排布，放置的位置應盡可能貼近O型密封圈，根據樣品尺寸大小，合理分配濕度顯示卡的排列密度。本次試驗共使用顯示卡14個，均勻分布于樣品O型圈卡槽周邊（見圖7）。

3)蓋板鎖緊：為防止蓋板壓力不均導致樣品的O型圈密封效果不良，使用扭矩電批，使用同樣扭矩對樣品對稱位置的螺釘依次擰緊。

4)防水試驗：本次防水試驗按照GB 4208-2008 的IPX5等級進行。標準試驗噴嘴在所有可能的方向向樣品外殼噴水，噴嘴內徑為6.3 mm，水流量為（12.5±0.625）L/min，主水流的中心部分為離噴嘴2.5mm處直徑約為40mm的圓，噴嘴至外殼表面距離為2.5m，試驗樣品外殼噴水時間為1min/面，共6min（見圖8）。

圖8

5)樣品檢查：試驗后，應將樣品外殼表面積水清除干凈，用適當壓力的風槍將縫隙內的水滴輕輕吹出，以免這些水滴影響環境濕度或開蓋時進入樣品內腔。將樣品移入溫濕度受控的環境中，溫度應控制在20℃～25℃范圍，濕度為50%RH以下[5]。開啟防水蓋板，觀察濕度顯示卡的變色情況，以及樣品內腔內有無積水。若顯示卡未變色，說明該顯示卡未沾染水份；若變色明顯，則表明該位置進水。檢查發現，顯示卡未變色，也未發現積水，表明樣品O型密封圈密封效果良好。

5 結束語

本文對濕度顯示卡在防水試驗中的應用做出了介紹。濕度顯示卡在防水試驗中的應用具有可觀測性、朔源性、易用性的特點。通過對試驗樣品進行內部結構與防水特性的分析，合理地使用濕度顯示卡，可以顯著改善防水試驗效果。

[1] GB 4208-2008，外殼防護等級(IP代碼)[S].

[2] EPM, The seal man’s o-ring handbook .

[3] Dictomatik, global o-ring size reference guide.

[4] Eriks, Precision o-ring manual , 2002 .

[5] IEC 60529:2001，Degrees of protection provided by enclosures(IP Code)[S].