環境應力篩選中濕度控制的研究

吳豪，李建剛，江思杰

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079）

引言

環境應力篩選是通過向電子裝備施加合理的環境應力和電應力，將其內部的潛在缺陷加速變成故障，其目的在于發現和排除產品的早期失效，使其在出廠時便進入隨機失效階段，以固有的可靠性水平交付用戶使用。環境應力篩選中溫度應力可篩選出80%的缺陷，環境應力篩選得到廣泛應用，并已成為產品研制生產的一項非常重要的工藝手段，是產品質量控制、檢查和測試過程的延伸。目前環境應力篩選使用廣泛的標準是GJB 1032-90《電子產品環境應力篩選方法》[1]，該標準的4.5款詳細闡述了環境應力篩選所用的試驗箱應滿足的幾大要求，其中第六項條款上明確提出了溫度、濕度的控制，標準中4.4.1條也規定了溫度的偏差為目標值±2 ℃，但是，濕度的控制范圍未明確具體的目標參數要求，只是提出樣品上不出現凝露。而且在溫度循環應力篩選試驗中，篩選度計算公式如下：

式中：

R=TU-TL—溫度變化范圍；

TU、TL—上限溫度、下限溫度；

v—溫度變化速率；

N—溫度循環次數；

e=2.718 28表示自然對數的底。

從公式可以看出，篩選度只與上限溫度、下限溫度、循環次數、溫度變化速率有關，并沒有考慮因為溫度的變化而造成凝露對篩選度的影響，因此，工程人員都沒有注重濕度的影響因素，如何較好的踐行實施環境應力篩選工作就是我們環境工程人員需要解決的問題。

本文以環境應力篩選為對象，分析環境應力篩選中凝露現象的產生與危害，研究如何通過濕度控制來避免或減少環境應力篩選過程中出現凝露現象，提出了一種基于干空氣自動補償增壓的解決方案，并通過大量現場試驗數據驗證了該方案的可行性。

1 環境應力篩選中凝露現象的產生及危害

1.1 環境應力篩選中凝露現象的產生

在武器裝備、軍民產品、元器件、板級與單元級模塊的環境應力篩選中，溫度快速上升時很容易導致產品上出現凝露等物理現象，并因此產生：吸附現象、吸收現象、擴散現象、呼吸現象。凝露現象的產生與產品所用材料、腔體大小、升降溫速率、相對濕度、箱內氣壓和空氣流速等因素都有關系。當試驗箱中環境溫度升高時，由于熱慣性，產品表面的溫度低于環境溫度，當濕熱的環境空氣遇到低于露點的產品表面時，空氣中的水汽就會凝結在表面形成露滴。如果產品密封，當試驗箱中環境溫度降低時，產品外殼內壁溫度比腔體內空氣溫度降溫快，腔體內濕熱空氣也會在產品外殼內壁凝結成露滴。由于大多產品不是完全密封的，凝露現象一般出現在升溫階段。

1.2 環境應力篩選中凝露現象的危害

通常情況下，單純的凝露水不足以導致產品故障，但在環境應力篩選試驗箱中，凝露水會與其他因素融合產生物理/化學作用，從而影響產品的安全質量，如金屬氧化/電化學腐蝕、有機和無機表面覆蓋層的化學或電化學破壞、摩擦系數的改變導致粘結或粘附、因吸收效應導致的材料膨脹、物理強度降低、電氣短路等，引起的典型失效故障如表1。

圖1為應力篩選時產生失效的示例。在環境應力篩選中，控制凝露現象的發生是避免因非被試品因素產生凝露而造成故障的基本要求。

2 環境應力篩選中濕度的控制

2.1 溫度箱內防凝露的方法分析

在環境應力篩選中，導致被試品表面出現凝露的根本原因是被試品表面的溫度低于溫度箱內空氣的露點。那么，要防止被試品表面出現凝露現象，有以下幾種可能的途徑：

①改善箱內氣體的循環，使被試品在溫度箱中的溫度始終與箱內氣體的溫度變化同步，且被試品的溫度與箱內氣體的溫度之差很小，不足以讓被試品表面出現凝露現象。

②采取合適的措施，使箱內氣體的露點上升速率滯后于被試品表面的溫度上升速率，使箱內氣體的露點始終低于被試品表面的溫度，防止被試品表面出現凝露現象。

表1 濕度環境對產品的典型影響

圖1 應力篩選時產生失效示例

③控制箱內氣體的絕對濕度，使箱內氣體的露點始終低于箱內氣體的下限溫度，從而避免被試品表面出現凝露現象。

在以上的控制途徑中，途徑①的困難很大，因為被試品的材料、體積、質量、結構都千差萬別，不同被試品的熱慣性差別很大，在箱內氣體溫變速率確定的條件下，要保證所有被試品的溫變速率與箱內氣體的溫變速率相同，且被試品與箱內氣體的溫度差很小，這在工程上很難實現。而采取途徑②和途徑③具有一定的可行性，當我們設法降低箱內氣體的絕對濕度時，可以有效地降低箱內氣體的露點，以保證被試品的溫度高于箱內氣體的露點，防止被試品表面出現凝露現象。

經過對環境應力篩選實驗的長期觀察，我們發現影響溫度箱內氣體露點變化的因素主要有以下兩點：

①環境濕度：當環境濕度較大時，箱內容易出現凝露現象。

②箱體的密封性：箱體的密封性越好，環境濕度對箱內氣體的影響越小。

環境濕度是不可控因素，由于工作的需要或工程的原因，箱體很難做到絕對的密封。一般的溫度箱內外不可避免有氣體交換，這是一般的溫度箱防凝露的困難所在。為了克服環境濕度通過箱體縫隙對箱內氣體露點的影響，本文認為，以一定的流量向箱體內補充干燥空氣，使箱內氣壓大于箱外大氣壓，阻止箱外水蒸氣進入箱內，控制箱內濕度，從而保證箱內氣體的露點低于被試品表面溫度。

2.2 溫度箱內氣體絕對濕度的影響因素

影響箱內氣體露點的根本因素是箱內氣體的相對濕度和氣體的氣壓。但箱內氣體的絕對濕度為零或很低時，箱內氣體在溫度下限以上將不會出現凝露現象。而箱內絕對濕度與箱內氣體的初始含水量、干空氣的補充速度、箱內外的氣體交換速度等因素都有關系。下面具體分析箱內氣體絕對濕度的幾個影響因素：

2.2.1 干空氣的置換速度

設：進入溫度箱內的干燥空氣可以瞬時間與箱內原有氣體均勻混合，f1為任意時刻絕對含濕量（g/kg），f0為初始絕對含濕量（g/kg），v為箱體體積，Q為干燥空氣的進氣量（m3/s），t為時間（s）。則：箱內氣體含濕量f1的變化量滿足以下的微分方程：

解方程（1）可得：

考慮箱內干燥空氣與原有氣體混合需要一定的時間以及其它因素，可以將式（2）修正為：

式中：

τ—修正系數，它與干空氣的流量、箱體大小及結構、箱體的密封性能因素有關。

可見，一定體積的溫度箱，通過干燥空氣置換的方法來降低箱內氣體含濕量時，箱內氣體的含濕量是按指數規律變化的，箱內氣體含濕量越低，含濕量降低的速率越慢；要盡快降低箱內氣體的絕對濕度，應加大干空氣的進氣量Q。

2.2.2 、箱內氣溫的變化

箱內氣溫的變化在箱內產生兩方面的影響：改變箱內氣壓、改變箱內氣體的相對濕度。這兩方面的影響最終都將影響箱內外水蒸氣的交換。

設：加速箱體是密封的，P0為箱內初始氣壓（設為大氣壓），箱內容積氣體的初始質量為m0，T0初始溫度，則，一定容積V0內的氣體，氣壓P與氣體質量m、溫度T的關系為：

由式（4）得：

當箱內氣體降溫，即ΔT＜0時，Δm＞0。因此，必須向箱內補充至少Δm質量的同溫度的干空氣，才能使箱內的氣壓大于外界大氣壓P0。

由以上分析可知：當箱內氣溫降低時，要防止箱外水蒸氣進入箱內，必須往箱內充入足量的干空氣，充入的干空氣量滿足：

2.2.3 、箱內氣體流速的變化

箱內氣體流速的變化影響箱內氣壓分布的不均勻，它可以使箱內局部區域產生相對于箱外大氣壓的負壓區，使箱外水蒸氣加速進入箱內。

忽略箱內氣體密度的變化，則箱內氣體流速v與氣壓P的關系為：

于是，氣體流動引起的氣壓變化ΔP2為：

可見，在箱內氣體流速較快的地方，氣壓較低，容易在該區域出現氣壓小于大氣壓的負壓區。因此，箱內中心區域的靜氣壓P應滿足這樣才能保證箱內氣體不會出現低于外界大氣壓的負壓區，從而防止外界空氣經縫隙進水蒸氣入箱體內。

2.3 溫度箱內氣體濕度控制的實驗及其結論

假設篩選的上下限溫度為-10～+50 ℃，要保證溫度箱內不出現凝露，必須保證2個條件：

①試驗初期狀態的試驗箱內空氣露點溫度高于-10 ℃，絕對含水量為1.59 g/kg，即在常溫條件下達到溫度25 ℃，相對濕度8 %[2]。

保證試驗初期狀態的試驗箱內空氣露點溫度高于-10 ℃，一般采用向試驗箱內注入干燥空氣，干燥空氣機處理后的空氣干燥度一般可以達到25 ℃，相對濕度1 %，絕對含水量0.19 g/kg，露點溫度可以達到-35 ℃，根據式（2）或式（3）估算補充干空氣所需的時間[2]。

②在試驗期間保證箱內的空氣和外面的空氣沒有交換，避免試驗箱外含水量高的濕空氣進入箱內，從而保證箱內氣體的絕對含水量控制在一定限制以下。

為滿足條件②，需要保證試驗箱內的氣壓永遠高于環境大氣壓，影響氣壓變化的主要因素有溫度變化、溫度箱內的風速，以及外界干燥空氣的補充速度。通過干空氣的補充來調節箱內氣體，可以利用式（5）和式（7）來進行估算一定溫變速率和氣體流速條件下，補充干空氣的流量大小。

為了驗證本文理論分析的有效性和可行性，我們在在1 m3的常規快速溫度變化箱和進行密封處理的低氣壓箱中進行了以下實驗：

1）注入干空氣置換實驗及其效果

干燥空氣機處理后的空氣干燥度為25 ℃，相對濕度0.01 %，以160 L/min的速率向1 m3快速溫度濕度變化濕熱試驗箱箱內注入處理后的干燥空氣置換試驗箱內的濕空氣，2 h后也只能達到30 ℃，15 %RH（見圖1，露點溫度為0 ℃），理論上30 min內可以達到25 ℃，相對濕度0.1 %。

造成干燥空氣置換不充分有兩個原因，一是干燥空氣進入箱體后沒有得到充分混合就排出，因為這是一個漸次混合-排出的循環過程，導致延遲了干燥時間；二是箱體的密封不好，干燥空氣的流量小不足以使得有間隙的地方都能向外排出，有的間隙地方還會向箱內流動，而要大流量的干燥空氣是比較困難，所以第二種原因是影響的主要因素，要解決這個問題先分析下箱體的結構，箱體存在著較多不密封的因素：

①防止氣壓升高的壓力平衡孔；

②加濕水系統的管路；

③預留進行檢測的引線孔；

④軸流風機的軸處的密封；

⑤制冷蒸發器的管路處的密封；

⑥門的密封。

圖1 僅達到30 ℃，15 %RH

排除上述因素影響后，以低氣壓箱結構按照上述條件1 h后達到常溫27 ℃，相對濕度0 %（見圖2），說明箱體的密封的好壞直接影響到初始狀態的干空氣處理效果。

2）增加箱內氣壓法防止箱外水蒸氣進入箱內的實驗驗證

在試驗前干燥空氣置換掉試驗箱內的濕空氣，還需要保證試驗箱外的濕空氣不再進入到試驗箱內，這樣，可以確保試驗箱內的露點溫度足夠高而不至于產生凝露現象，這需要試驗箱內存在氣流交換的間隙地方氣壓永遠高于環境大氣壓，一組循環過程中沒有注入和注入干空氣提升箱內的壓力的對比圖見圖3和圖4。

數據表明，露點溫度得到大幅下降，所以，不會在篩選試驗中產生凝露現象。

3 環境應力篩選中濕度控制的工程設計

經過長期的試驗分析與研究，要防止環境應力篩選試驗中凝露問題需要在兩個方面進行改進設計：

3.1 試驗箱門的密封結構設計

按照低氣壓箱的結構模式進行密封和強度的設計，強度可以降低，同時，門處只是考慮到了負壓時門的密封性好，正壓時門的密封性很差。所以，需要對其門的密封進行結構設計，減少注入的干燥空氣的流失，預防箱內壓力難以保持正壓造成內外空氣的交換。

3.2 濕度控制設計

考慮到在升溫的時候需要減壓保持箱內的壓力不至于過高，還需要有排氣的位置，避免壓力過高損壞產品，在降溫的時候需要增壓保持箱內的壓力不至于過低，這就需要補充干燥空氣，避免壓力過低將箱外的濕空氣吸進箱內導致濕度升高[3]。經驗值認為試驗箱內壓力高于試驗箱外壓力2 kPa對裝備產品沒有影響。因此，試驗箱箱體設計有可以控制的防止壓力升高/降低的壓力平衡裝置2個，一個用于高溫降到低溫過程時補充干燥氣體，一個用于低溫升到高溫時排放膨脹氣體。

在壓力平衡裝置箱體端處增加壓力傳感器，在控制面板上擴展壓力測試界面，并設定容差范圍，超出容差時給電磁閥通斷信號，進行排氣/充氣，保障壓力一直高于環境大氣條件壓力2 kPa。

在試驗箱內加裝配置溫度濕度一體化傳感器，在控制面板上擴展濕度測試界面，在進行試驗前的干燥空氣預處理時，可以觀察到試驗箱內的濕度情況能夠達到常溫狀態下，濕度為0，延遲30 min后有聲響提示，工作人員只有觀察干燥處理達到時才開始進行試驗，并且，在試驗過程中可以實時監測到試驗箱內的溫度濕度情況，確保試驗箱內的空氣干燥。

圖2 達到27 ℃，0 %HR

圖3 10 ℃，15 %露點溫度僅能達到-5 ℃

圖4 -10 ℃，3.4 %，露點溫度為-40 ℃，絕對含水0.054 g/kg

3.3 增加一臺空壓機和空氣干燥處理機

處理的能力可以達到100 L/min，絕對含水量近似為0，在預處理時通過電磁閥控制置換試驗箱內的濕空氣，在試驗過程中箱內壓力達不到時補充干燥空氣提高箱內壓力，均在控制器中編程控制，具有干燥空氣注入濕度達到0并延時1 h后，提示可以進行正式試驗，試驗過程中通過壓力檢測信號控制電磁閥的開關，達到保證箱內正壓的功能。

4 結論

本文以環境應力篩選試驗箱中的凝露問題為研究對象，以本中心現有試驗條件為基礎，分析環境應力篩選試驗中凝露現象的產生與危害，通過理論闡述與公式推導對如何改進環境應力篩選試驗中的凝露現象展開研究，結合機械工藝與自動化技術實現試驗箱結構與控制上的改進，從而避免或減少環境應力篩選過程中凝露現象的發生，并應用到本中心環境應力篩選試驗中。