幾種電子設備密封失效原因分析及改進措施

呂 強

（中國電子科技集團公司第三十六研究所，嘉興 314033）

引言

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

1 車載設備

1.1 故障現象

某車載系統經過2年多時間的研制，順利完成了各項性能指標測試，但在隨后進行的交變濕熱試驗時，單機開機后液晶顯示器不能正常工作。打開機箱發現機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，但仍有抖動現象，屏幕上面有兩條橫線，兩分鐘后，顯示屏變為黑屏，后經幾次加電，一直無顯示。

1.2 原因分析

該單機為型材拼裝結構，上下兩面采用封閉式蓋板，蓋板和機箱之間沒有使用橡膠密封條，如圖1所示。設備按GJB 150.9進行交變濕熱試驗，條件是：在2h內，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%，要求進行10個周期，共計10天。

在升溫階段，由于熱容原因，機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生凝露[2]。機箱外表的凝露沿機箱縫隙滲透至內部，形成積水。在高溫階段，機箱內的積水產生蒸發，但由于氣流不暢，水汽不容易排出。周而復始，形成積水。

1.3 改進措施和驗證

采用加密封條阻止凝露滲透是一種解決方案，但是機箱和蓋板都需要重新設計和加工，且一旦密封條老化失效，故障仍會復現。考慮到單機內部模塊級部件均采用了防腐蝕性能較強的防銹鋁材料，帶元器件印制板及機箱內部所有表面均采用了“三防”漆涂覆的防護措施，具有較好的防護能力，且車載環境腐蝕氣氛并非嚴重，因此，采取在機箱上下蓋板增加透氣孔的改進設計，如圖2所示。這樣的改進措施既有利于高溫時內部水汽蒸發，不易形成積水，也有利于機箱在升溫過程中，較快達到溫度平衡，減少發生凝露的時間，結構返修的工作量也不大。改進后的設備在交變濕熱試驗后無積水產生，恢復到常溫后單機工作正常。

從這個案例中，我們可以初步得出這樣的結論：車載電子設備應盡可能采用空氣通暢的結構，盡量避免“似密非密”的設計方式。

2 背負設備

2.1 故障現象

某野外背負設備樣機研制已經順利完成，但在小批量生產的浸漬試驗時，發生批次性設備滲水故障，導致設備功能異常。浸漬試驗條件按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

該設備尺寸381mm×298mm×140mm，重量10Kg，熱功耗216Kw。結構采用了全密封設計方案：框架為整體釬焊形式，左右側板為散熱器，發熱器件直接安裝在側板內側，以利于器件通過側板以自然冷卻方式進行散熱，因為在浸漬條件下不可能使用風機進行冷卻。發熱器件安裝螺釘采用硅橡膠進行密封，上下蓋板采用硅橡膠密封條進行密封。該設備的生產流程是：整機裝配→調試→環境試驗→驗收。

檢查后發現，問題主要出現在安裝螺孔的密封性上。在調試階段中，調試人員對安裝在側板的器件進行過拆卸，調試性能參數。但在調試后，未返回整機裝配部門進行重新補膠，導致螺紋密封受到破壞，水從破壞處滲透到機箱內。

2.3 改進措施和驗證

對安裝螺紋進行重新補膠后，滲水問題得到了解決。為使問題得到徹底解決，同時也便于設備今后維修，將通孔螺紋改為盲孔螺紋。即在側板外側和前面板內側增加4-6mm高的凸臺，將側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，提高了設備的可維修性。在隨后的浸漬試驗中，未再出現滲水現象。

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

3 天線有源盒

3.1 故障現象

某天線在外場聯試階段后期，發現天線指標出現異常，檢查后發現有源盒內有較多積水，元器件發生了嚴重腐蝕，如圖4所示。

圖1 樣機外形（去蓋板后）

圖2 改進后的蓋板

圖3 背負設備浸漬試驗

圖4 天線有源盒腐蝕后的外觀

3.2 原因分析

外場試驗時間在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，周而復始，形成積水。

該密封圈規格為線徑?3.55mm，內直徑?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]。當壓縮量為15%時，邵氏硬度70的橡膠密封圈產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軟件對蓋板進行力學分析，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。而蓋板實測變形量約為0.2mm，這說明蓋板接觸壓力并沒有達到2MPa，因此可以判斷，此蓋板未達到良好的密封效果。

3.3 改進措施和驗證

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厚度及鋼板分別進行了仿真分析，重量和最大變形量的結果如表1所示。增加螺釘的效果最佳，但是，原腔體無法使用，需要重新設計和加工；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，并通過了驗證試驗。

圖5 蓋板力載荷

圖6 蓋板變形云圖

表1 不同改進措施效果比對

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備內部工作壓強，因此，校核工作往往容易被忽略。以蓋板理論變形和實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 結束語

電子設備密封的主要目的是隔絕外界腐蝕環境，保護內部電路，使其在特定的環境下能長期可靠工作。使用的環境不同，其密封要求也是不同的。結構設計中，應綜合考慮散熱、抗力學、“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. 電子設備結構設計原理[M]. 南京：東南大學出版社，2005：437-440.

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

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

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