電子設備耐濕熱性設計思考

李潤玲，魏偉，王娜

（1.空裝駐北京地區第四軍事代表室，北京，100041；2.空裝駐北京地區第七軍事代表室，北京，100041）

0 引言

為了確定設備在高溫及高濕條件下的適應性，按照相關適用標準開展驗證，試驗室試驗是一種加速試驗，比自然環境所發生的潮濕更頻繁、更嚴重或周期更長。一般電子設備通常都要進行“三防”(防濕熱、防霉菌、防鹽霧)設計，采取防腐蝕的結構設計，選擇耐環境腐蝕的原材料，進行基材表面“三防”處理等，以提高設備的環境適應能力。在實際工作中，通常采用以往產品使用的成熟結構設計、相同材料和表面處理工藝方法。但是兩型新研產品在進行濕熱試驗后發現，鉛封杯表面出現白色銹蝕痕跡、設備與安裝支架接觸面出現油漆起泡現象、前面板和箱體接觸位置縫隙處出現白色銹蝕。而以往類似設備與安裝架無論是單獨還是組裝在一起均能順利通過濕熱試驗，表面質量正常。表面處理為特殊過程，針對試驗中出現的問題，從“人、機、料、法、環”各環節進行了檢查、分析和試驗，發現原因是特殊過程過程控制、產品結構設計、選用的防護漆性能不滿足特定環境、特殊過程參數設定不合理。通過嚴格過程控制要求、更改選用漆牌號、調整控制參數、增加保護環節解決了問題，滿足電子設備在相關惡劣環境下的使用需求。

1 產品濕熱試驗中出現的問題

兩類電子設備按相關標準要求進行濕熱試驗，試驗條件為：溫度+30℃～+60℃，濕度95%，循環10天。試驗結束后，功能和性能檢測均正常，但表面質量均出現了以下問題：

（1）鉛封杯表面有白色銹蝕痕跡，如圖1。

圖1 鉛封杯銹蝕

（2）一型設備前面板和箱體接觸縫隙處有白色銹蝕，如圖2。

圖2 前面板和箱體接縫處銹蝕

（3）一型設備與安裝支架接觸的底蓋板發生大面積油漆起泡，安裝架對應位置有積水，如圖3。

圖3 設備底面起泡

2 濕熱環境對產品性能的影響

濕熱試驗可以引起材料電性能、機械性能和化學性能發生變化，具體表現為：

（1）表面影響。由于水分的吸收和擴散（滲透）作用，金屬的氧化和/或電蝕、加速化學反應、表面有機涂層和無機涂層的化學或電化學破壞、表面潮氣和外來附著物相互作用產生腐蝕層、摩擦系數的變化產生粘合或粘附。

（2）材料特性的變化。由于吸附作用：材料體積膨脹。由于凝露和吸附作用，物理（機械）強度降低。絕緣材料的表面絕緣電阻和體積絕緣電阻下降、損耗角增大，由此生成了漏電流，對于整個設備，將會導致靈敏度降低、頻率漂移，光學元件成像傳輸質量下降等。隔熱材料的隔熱特性變化、復合材料分層、材料的彈性或塑性改變、吸濕材料性能下降、潤滑劑性能降低、炸藥和推進劑性能降低。

（3）凝露游離水。電氣短路、光學器件表面模糊、熱傳遞特性變化。如體積膨脹、機械強度降低，由于吸潮，會使密封產品的密封性能降低或破壞，產品表面涂敷層剝落，產品標記模糊不清等。

3 特殊過程處理應關注的幾點

3.1 特殊過程參數設定控制

特殊過程控制參數一般是在表面處理工藝編制時經過確認后明確下來的，一般工廠在確定完參數后如果工藝方法不改變，參數就固定下來。有的特殊過程參數控制包含溶質濃度，其實際使用中，可定期測量濃度進而保證溶液合格。而有的特殊過程溶液調配時，僅僅滴幾滴溶質，濃度無法測量，一般用時間周期進行控制。對于用時間進行控制的特殊過程，在實際使用時往往不再進行調整。但是隨著使用條件發生變化，原有控制參數不能滿足現有使用要求。鋁合金零件大部分選用導電氧化處理方法，當生產量增加時，按原有要求配置的導電氧化溶液在使用周期中后期溶質成分含量降低，導致形成膜層的質量下降。進行濕熱試驗時，試驗中的水汽在結構件之間充當導電介質，縫隙內外形成了氧濃差腐蝕原電池，使腐蝕反應得以進行，加速了膜層的破壞，造成鋁基體零件的腐蝕。如：在某一產品濕熱試驗過程中，零件在縫隙內外環境中的電極電位與氧的濃度分布成正比，濃度越高，則電極電勢越高，蓋板裸露在外面的電位較縫隙內部高，成為腐蝕電池的陰極，縫隙內部作為電池的陽極受到腐蝕，這造成了白色銹蝕，如圖2所示。出現問題后，對導電氧化參數控制進行了調整，將原有槽液的更換頻率由原來3個月改為兩周或加工零件面積達到1500dm2時。為了進一步完善工藝方法，并增加耐環境余量，對導電氧化處理后的零件涂一種增強導電性能的膠，提高膜層耐腐蝕性。

3.2 試驗前處理

濕熱試驗一般不作為腐蝕性試驗。所謂濕熱的腐蝕作用是由于空氣中含有少量的酸、堿性雜質或由于產品表面附著有焊渣、汗漬等污染物而引起的間接化學和電化學腐蝕作用。為了防止樣品表面污染而引起間接腐蝕作用，試驗前，應該對試驗樣品采取清潔處理，例如用無水酒精進行擦拭清潔處理。

3.3 特殊過程過程控制

針對進行過表面處理的零件其貯存、包裝、運輸和安裝過程都有相關標準和規定，應按要求嚴格控制過程。鉛封杯為標準件，且庫存批量大、使用數量大、零件體積小，一般為幾十個放置在一個裝有防潮沙的塑料袋貯存，沒有單獨的保護措施，現場使用時也是幾十個同時放置在一個小盒中發放，一般不發生磕碰和摩擦是不會損傷鍍層，但也不排除這種可能性。另外，在具體安裝過程中，也存在操作者緊固螺釘時不小心用螺刀損傷表面涂層的可能。所以貯存、運輸和安裝過程容易產生磕碰和摩擦。無法排除貯存、運輸和安裝過程破壞表面處理層。

3.4 試驗驗證

目前，大多數企業對于特殊過程的確認和再確認往往使用試件進行表面處理，進行表觀質量檢測和對比查看的方式，沒有進行相應整個設備的試驗驗證，而僅僅依托于定檢和鑒定試驗進行，而整個設備和試片進行試驗時的得到了不同的實驗結果。

如濕熱問題中的鉛封杯試驗，分別進行了試片和整個設備驗證。第一次試件試驗：鉛封杯在單獨放置的時候，不論表面處理層是否被破壞都不會導致鉛封杯銹蝕；第二次整個設備試驗：表面鍍層完好狀態的鉛封杯安裝在產品上，經過濕熱試驗不會產生銹蝕；而表面鍍層磨損破壞的鉛封杯安裝在產品上，經過濕熱試驗產生了銹蝕。

從理論分析來看，單獨放置的鉛封杯不能模擬真實安裝環境，產品中鉛封杯套在螺釘上加墊圈固定在機體殼上。濕熱試驗中，環境濕度大、溫度變化大，表面鍍層受損的鉛封杯、螺釘和墊圈間的留存液體后形成電化學原電池。在原電池中，裸露的鋅失去電子成為鋅離子作為電化學陽極，鋅離子與水中的氫氧根離子結合生成氫氧化鋅白色沉淀，氫氧化鋅部分分解成白色的氧化鋅；陰極，氧氣得到電子后與水中的氫離子結合生成水。反應式為：2Zn+O2+2H2O =2Zn(OH)2、Zn(OH)2（部分）=ZnO+H2O。

導電氧化試驗也出現了同樣結果。試片本身在一定程度上能驗證膜層或鍍層的防護效果，但不能復現真實裝機環境，裝到整個設備后的結構體之間會形成原電池，加速腐蝕速度和程度，因此在嚴格程度上應該在整個設備上試驗驗證。

3.5 結構設計在特殊過程中的考慮

一般設計產品時，習慣采用以往使用過的成熟工藝方法，對于結構電路設計時還會進行一定的對比分析，但是對于特殊過程僅從材料上考慮，這往往也帶來些問題。

某一產品安裝在安裝托架上進行的試驗，產品表面采用鋅黃環氧底漆H06-2/環氧硝基H04-80的配套漆層。濕熱試驗后，產品四周漆層良好，但是底面膜層出現隆起、鼓泡。經過驗證分析，發現試驗過程中，冷凝水流入產品與安裝托架的安裝間隙，不能及時排出，使產品下蓋板的漆膜長時間浸泡在濕熱冷凝水中，并處于高低溫交變循環的濕熱試驗狀態，加大了漆膜在濕熱試驗中的嚴酷度，導致漆膜膨脹，膜層分子單元間隙增大。水分子通過膜層分子單元間隙不斷浸入漆膜中間，隨著滲透水量的增加以及深度的增加，滲透至漆層薄弱處，開始橫向剝離，使漆膜隆起、鼓泡，最終誘發此類故障。

對比以往產品思考，以往同樣類似產品未出現問題，從結構上講，安裝托架設計不同，托架與產品地面接觸面處掏空部位多，每個橫梁截面小，不容易形成大面積結構，不容易積水。看來，結構設計也是特殊過程處理應該考慮的方面。

3.6 采用更完善的工藝處理

在產品設計時，強度、熱、降額設計等等通常進行余量考慮，其實在特殊過程中也應該進行考慮。如設備底面膜層隆起、鼓泡現象，從另一個側面也反映了在濕熱試驗條件發生更嚴酷的變化后，膜層質量不能達到改變后的試驗條件要求，設計余量小，進行工藝方法更改。使用性能更優的的表面處理，由鋅黃環氧底漆H06-2/黑色環氧硝基H04-80的配套漆層改變為鋅黃丙烯酸底漆TB06-6/黑色氟聚氨酯無光漆TS96-71。同樣，對比導電氧化處理，又增加了涂覆保護劑增加防護性能。

4 結論

特殊過程確認一般基于“穩定流程生產，穩定合格產品”的原則，其目的為了杜絕“事后返工”，為了保證電子設備環境適應性，在設計時對特殊過程就應有一定的考慮，對特殊過程的確認應該進行完整的辨識和驗證，對過程控制控制到位，對工藝方法進行充分分析和確定，最終保證滿足產品的質量特殊性要求。