濕熱環境對電子裝備可靠性的影響與對策研究

程高

摘 要：本文闡述了濕熱條件下電子裝備的失效模式，分析了濕熱應力作用下電子裝備的失效機理，并結合電子裝備的結構設計、加工工藝和使用維護等問題，對如何有效防護濕熱環境造成的不良影響提出了對策和建議。

關鍵詞：環境；適應性；濕熱；可靠性

在我國東南沿海很多地區，年平均氣溫高、梅雨季節長、濕度大，很多地區年平均溫度在27℃以上，相對濕度高達92%，在此高溫、高濕環境下，裝備的貯存、運輸和使用經常受到高溫與高濕的綜合影響，因此，濕熱是造成裝備失效和故障率上升的一個主要原因。如何改進和提高電子裝備的濕熱環境適應能力，對電子裝備實施有效防護，已成為當前電子裝備保障工作需要解決的重要問題。

一、濕熱環境下電子裝備常見的失效模式

潮濕是裝備導致失效的一個主要因素。因此，當高溫、高濕作用于產品時，所形成的水汽吸附、吸收和擴散作用，使裝備加速老化和失效。濕熱環境下電子裝備常見的幾種失效模式，主要表現在以下幾個方面：

（一）加劇有機材料物理、化學劣化

當裝備所處環境的氣溫升高時，潮濕空氣會通過物理變化，產生吸附作用，使裝備材料的含水量增加。因此，高溫、高濕情況下會使有機材料表面劣化加劇，造成裝備材料表面變形、腫脹、起泡；粘合劑、密封件失效；有機材料的表面絕緣性能下降，引起閃絡、爬電、體積電阻，抗電強度（耐壓水平）下降或介質損耗增大。

（二）加劇設備結構件腐蝕

電子裝備的結構件通常采用金屬材料制造，在濕熱環境中，水蒸氣容易在裸露的表面上形成一層不可見的薄膜，含水的表層成為電流導體和污染源，在不同金屬接觸點處形成微電池，使金屬之間的電化學腐蝕加劇。缺乏有效防護的金屬表面或表面防護層失效后，極易形成連成一片的全面腐蝕，造成表面涂層損壞。濕熱環境還會使結構件的鉚釘、焊縫、螺釘等緊固件處發生強烈的選擇性腐蝕破壞，造成結構失效。

（三）加速電子線路老化

由于現在裝備都采用大規模集成化的電路，因此，每條線路之間距離非常小，當印制板吸收電路引線之間的潮濕空氣后，金屬線之間的絕緣性能將會降低，很大可能會出現局部線路的短路，從而影響裝備的可靠性；濕熱環境還可能會造成氧化，使金屬導體的導電率降低，接點間打火；在東南沿海地區，濕熱還會使帶狀天線內造成幾分貝的損耗，尤其是正在服役的雷達天線，會因為高溫、高濕的環境而引起故障和早期失效。

二、濕熱環境電子裝備失效原因

（一）表面受潮機理

高溫、高濕條件是引起產品表面受潮形成凝露現象的主要原因。由于空氣中含有的大量的水分子，在空中運動的過程中，可能會碰撞固體物質的表面，因此，當停留在物體表面上的水分子濃度高于它在空氣中的濃度時，便會在物體表面形成水分凝結，這種氣體停留在固體表面上的現象稱之為吸附。

由此得出，氣體吸附量與固體物質的性質、溫度及平衡時氣體的壓力三者有關。其函數關系為：

Q= f （T，P）

式中：Q——吸附量，ml；T——絕對溫度，K；P ——壓力，Pa。

根據此函數關系可以看出，溫度越低，壓力越高，則吸附量越大。吸附還與相對濕度有關，相對濕度增加，吸附量增加，相對溫度減小，吸附量減少。如圖1所示：

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圖1 吸附等溫線與吸附等壓線

（二）體積受潮機理

體積受潮主要是由水蒸氣呼吸、吸收和擴散形成的。一個具有封閉外殼的裝備，在濕熱環境下，內腔雖然不接觸外部的高濕度空氣，但潮氣會通過間隙進入空腔內，形成呼吸效應，使內部造成受潮。當潮氣由濃度大的地方向濃度小的地方遷移時，這種物理現象稱為擴散現象。擴散與絕對濕度、溫度及材質有關，按菲克定律可表示為：J=D（dC/dx）。式中：J——單位時間內通過單位截面的水蒸汽量；D——擴散系數；C——水蒸汽濃度；x——擴散距離；■——空氣和材料內部的水蒸汽濃度梯度，它的大小取決于試驗條件中的絕對溫度。

三、提高濕熱環境適應性的對策

1）正確選擇結構件材料。對于金屬材料的應用選擇，應盡量避免選用在濕熱條件下發生腐蝕的金屬材料。如選擇不銹鋼時，應選擇鐵素體不銹鋼之類的耐腐蝕不銹鋼材料。在結構設計過程中，應盡量避免異種金屬和合金相互接觸。若不可避免時，應選擇在電偶序中位于同組或位置相隔較近的金屬或合金。2）合理選用鍍、涂覆層體系。選用正確的鍍、涂覆層體系，可使設備構件在使用過程中免受或少受氣候環境因素的侵害。對線路結構體系中的電子部件要進行保護性涂覆。對在戶外、海上使用的印制板組件，在允許的情況下，進行固體封裝，可有效緩解一旦氣密結構失效后因氣候環境因素帶來的不利影響。3）加強庫存和使用管理。要根據所在地區的氣候和環境條件，安裝排水系統和空氣循環系統消除潮氣。當所在地區環境非常惡劣，排水系統和空氣循環系統方法不適用時，應在庫房中安裝專用除濕設備來控制空氣的相對濕度。制定裝備在濕熱環境中的使用規定，特別是在高溫、梅雨季節，應盡量避免裝備在高溫、潮濕的條件下長時間工作。

四、結語

基于常見的幾種濕熱條件下電子裝備的失效模式，并通過分析濕熱應力作用下電子裝備的失效機理，結合電子裝備的結構設計、加工工藝和使用維護等問題，提出了如何有效防護濕熱環境造成的不良影響的對策和建議，大大提高了電子裝備在濕熱環境的適應能力和可靠性。

參考文獻：

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