電子產(chǎn)品綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)方法研究

江徽，劉信，何靜，萬永康，虞勇堅(jiān)，張凱虹

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，無錫 214035）

引言

眾所周知，電子產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境是影響其可靠性的重要因素，這些環(huán)境因素主要包括：溫濕度、鹽霧、沙塵、振動(dòng)、沖擊、輻射等，其產(chǎn)生的應(yīng)力都會(huì)對電子產(chǎn)品產(chǎn)生不良的影響[1]。而隨著人類開發(fā)的增加與實(shí)際生活環(huán)境的變化，沙塵導(dǎo)致電子產(chǎn)品的失效比率逐步增大。自然環(huán)境中的沙塵一般是由空氣中的微小顆粒物以及人類實(shí)際生活中的棉絮等物質(zhì)組成。它會(huì)在自身重力作用下或風(fēng)的影響侵入電子產(chǎn)品內(nèi)部，同時(shí)若電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境中存在空氣的熱運(yùn)動(dòng)、溫度變化引起的壓力差以及產(chǎn)品散熱引起的熱循環(huán)等條件都會(huì)引發(fā)或加速沙塵的侵入[2]。相關(guān)研究表明，沙塵可能導(dǎo)致電子產(chǎn)品的主要失效模式包括：運(yùn)動(dòng)部件的阻力加大或卡死，表面磨損造成產(chǎn)品體驗(yàn)感降低，熱傳導(dǎo)性能降低，引發(fā)相關(guān)接觸電阻變化，甚至導(dǎo)致電氣性能與光學(xué)性能降低[3]。

依據(jù)氣象局等環(huán)保部門對大氣環(huán)境中降塵量監(jiān)測結(jié)果顯示，大氣環(huán)境中沙塵濃度會(huì)依地區(qū)的不同而不同，電子在不同地區(qū)應(yīng)用所受到的沙塵環(huán)境應(yīng)力也是不同的。通常而言，沉積或侵入電子產(chǎn)品的沙塵在沒有水的情況下是不良導(dǎo)體。然而跟其他環(huán)境結(jié)合如溫濕度，會(huì)溶解沙塵中可溶性粒子形成電解液，從而會(huì)加速金屬的腐蝕，電化學(xué)失效等危害[4]。因此，模擬沙塵環(huán)境對電子產(chǎn)品可靠性的影響，尤其是探究沙塵在與溫濕度相結(jié)合的綜合應(yīng)力條件下的電子產(chǎn)品可靠性水平至關(guān)重要。

綜上所述，為完善電子產(chǎn)品的沙塵條件可靠性評(píng)估方法，本文研究了一種電子產(chǎn)品綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。該方法通過調(diào)研產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境狀態(tài)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析；依據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)嚴(yán)酷度選擇與試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)；并在試驗(yàn)具體實(shí)施過程中對產(chǎn)品性能以及降塵量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，最后在溫濕度條件下對試驗(yàn)樣品的進(jìn)行性能表征測試與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定。

1 試驗(yàn)嚴(yán)酷度選擇與試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)嚴(yán)酷度選擇

綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)的嚴(yán)酷度選擇是基于產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境狀態(tài)，在進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)用環(huán)境狀態(tài)調(diào)研時(shí)，應(yīng)注意其工作時(shí)所承受的環(huán)境溫度上限與溫度下限，其目的是為了在進(jìn)行綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)時(shí)，可將環(huán)境溫度上下限定義為試驗(yàn)中溫度應(yīng)力等級(jí)的上下限。

通常而言，單一的沙塵試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度由試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間與沙塵沉積量共同決定，但為了方便表征試驗(yàn)嚴(yán)酷度跟某些實(shí)際環(huán)境條件的量化關(guān)系，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.37電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)中規(guī)定，僅僅由條件試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間來決定沙塵試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度，沙塵沉積量被定義為6 g/(m2·d)，從而更加方便產(chǎn)品依據(jù)自身功能重要性來進(jìn)行嚴(yán)酷程度的選擇[5]。綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)引入了溫度應(yīng)力，但依據(jù)相關(guān)理論在忽略大氣湍流沉降的影響下，塵顆粒的沉降速度僅與空氣粘滯系數(shù)、顆粒密度、空氣密度、顆粒直徑等參數(shù)有關(guān)，與溫度無直接相關(guān)性[6]。經(jīng)過對同等條件下不同溫度條件的沙塵沉積量進(jìn)行監(jiān)測論證如圖1所示，其中溫循條件范圍為0～60 ℃，結(jié)果顯示溫度的變化對沙塵的沉降量無任何影響，但溫度應(yīng)力的存在對產(chǎn)品材料本身、結(jié)構(gòu)件縫隙以及靜電吸引的沙塵入侵產(chǎn)生一定的影響。因此在綜合應(yīng)力試驗(yàn)中，對沙塵應(yīng)力中的沙塵沉積量定義為6 g/(m2·d)，其沙塵應(yīng)力嚴(yán)酷程度也由試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間來決定。

圖1 不同溫度應(yīng)力條件下沙塵沉積量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

結(jié)合可能引發(fā)沙塵入侵的條件，如自然沉積、空氣循環(huán)帶入、熱運(yùn)動(dòng)帶入、由熱膨脹引起的氣壓變化吸入等因素。溫度應(yīng)力的存在只可能對材料縫隙以及靜電吸引的沙塵入侵產(chǎn)生一定的影響，但相對應(yīng)力較小，從沙塵入侵含量可能需要非常精密的設(shè)備才能定量測定。但溫度的變化與沙塵入侵程度以及后期應(yīng)力變化必然存在相互關(guān)聯(lián)，具體關(guān)聯(lián)量化關(guān)系可能需更精密的技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行探究[7]。因此綜合應(yīng)力試驗(yàn)的試驗(yàn)嚴(yán)酷度等級(jí)，可以由沙塵單應(yīng)力等級(jí)與溫度應(yīng)力等級(jí)，組建成一個(gè)修正的等級(jí)模型矩陣，用來定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)應(yīng)力，如表1所示。

表1 綜合應(yīng)力試驗(yàn)嚴(yán)酷度等級(jí)表

其中，沙塵單應(yīng)力等級(jí)：T1表示在對應(yīng)的沙塵單應(yīng)力條件下，試驗(yàn)1天的周期界定，以此類推；溫度應(yīng)力等級(jí)：R1表示在對應(yīng)的溫度單應(yīng)力條件下，試驗(yàn)1天的周期界定，以此類推；綜合應(yīng)力試驗(yàn)嚴(yán)酷度等級(jí)：S1表示在對應(yīng)的的溫度應(yīng)力與沙塵應(yīng)力綜合條件下，試驗(yàn)1天的周期界定，以此類推。該試驗(yàn)嚴(yán)酷度選擇實(shí)施方法可由產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的沙塵應(yīng)力強(qiáng)度、溫度條件應(yīng)力強(qiáng)度、產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)壽命周期等進(jìn)行綜合分析確定。

1.2 試驗(yàn)剖面的設(shè)計(jì)

樣品的工作狀態(tài)可能會(huì)影響沙塵侵蝕，這是由于工作時(shí)的振動(dòng)效應(yīng)可能不利于沙塵的沉積[8]。但是結(jié)合沙塵能由空氣熱運(yùn)動(dòng)侵入產(chǎn)品內(nèi)部以及溫度變化引起的氣壓差而吸入等相關(guān)特性，密封發(fā)熱的產(chǎn)品應(yīng)采用間歇式工作模式，以便通過熱力循環(huán)產(chǎn)生吸入效應(yīng)增加沙塵入侵，從而更完善的評(píng)價(jià)產(chǎn)品的密封性與沙塵耐受性。在進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，若待驗(yàn)證的產(chǎn)品具有一定的熱效應(yīng)，可參照圖2所設(shè)計(jì)的溫度循環(huán)與工作狀態(tài)試驗(yàn)剖面進(jìn)行。為避免溫度應(yīng)力對產(chǎn)品產(chǎn)生過應(yīng)力作用，其溫度變化速率應(yīng)足夠的小，建議使用＜10 ℃/min的溫度變化速率。循環(huán)周期可通過計(jì)算產(chǎn)品MTBF來預(yù)計(jì)，溫度應(yīng)力作用實(shí)際時(shí)間（MTBF）不應(yīng)超過產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)所能達(dá)到的壽命期限。若有特定的要求或因產(chǎn)品本身的類型與特性，產(chǎn)品以靜態(tài)模式進(jìn)行測試。

圖2 溫度循環(huán)與工作狀態(tài)試驗(yàn)剖面

2 試驗(yàn)實(shí)施方法

進(jìn)行綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)測試時(shí)，具體的實(shí)施方法可以參照GB/T 2423.37電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)中的沙塵試驗(yàn)方法進(jìn)行[5]。沙塵的供給與沉積可以參照圖3的試驗(yàn)剖面進(jìn)行，其中1min的吹塵表示塵的注入過程，59 min的降塵表示塵的自然沉積過程，5 min的管道清理表示氣壓上升與設(shè)備緩沖過程。

圖3 綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)中沙塵供給與沉積試驗(yàn)剖面

試驗(yàn)論證開始前應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境與結(jié)構(gòu)特性，選擇合適的試驗(yàn)用塵與粒子尺寸。推薦使用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)用塵與實(shí)際腐蝕性物質(zhì)混合的合成沙塵，對于粒子尺寸的分布要求，所選的沙塵粒子尺寸應(yīng)含有產(chǎn)品實(shí)際工作環(huán)境中含有粒子的最小尺寸。在進(jìn)行方法論證試驗(yàn)時(shí)，選用的是普遍的家用電子產(chǎn)品，因此采用是粒子尺寸小于75 μm具有腐蝕特性的石英砂混合沙塵。這是為了更好的研究吸濕性塵對產(chǎn)品的腐蝕性影響與評(píng)估產(chǎn)品的防塵致密性水平。

考慮到沙塵潮濕結(jié)塊而造成沙塵顆粒大小的變化以及塵注入的順暢性，沙塵使用前必須進(jìn)行干燥處理，必要時(shí)高溫下烘干2 h，以去除水分。在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，應(yīng)對沙塵沉積量與均勻性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，測量方法可通過在樣品同一水平面放置一個(gè)或多個(gè)收集器，在測試前后稱取收集器的質(zhì)量，來判定試驗(yàn)區(qū)域的沙塵沉降量維持在 6 g/(m2·d)[9]。

塵能否均勻地覆蓋在樣品的上面，與試驗(yàn)樣品放置位置存在一定的相關(guān)性，因此，在試驗(yàn)樣品放置時(shí)，一定要保持水平狀態(tài)；樣品需離塵注入口有一定的距離；若試驗(yàn)樣品不止一件時(shí)，在放置時(shí)，兩個(gè)樣品至少保持150 mm的距離，同時(shí)需預(yù)留一定的交叉角度，盡量避免處于同一水平線。特別值得注意的是，所有的沙塵均存在一定的危害性，除滑石粉其他粉塵濃度超出一定界限時(shí)均有發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，因此試驗(yàn)人員應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施避免健康與安全危害[10]。

3 試驗(yàn)表征與結(jié)果分析

3.1 溫濕度測試分析

綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)測試周期結(jié)束后，應(yīng)對產(chǎn)品的功能、噪音、電性能、外觀等方面進(jìn)行全面的檢查分析。通常而言常規(guī)的沙塵試驗(yàn)僅僅能評(píng)估沙塵入侵的風(fēng)險(xiǎn)與相關(guān)防護(hù)措施的優(yōu)劣性，無法直觀的表征沙塵可能引發(fā)的潛在故障的風(fēng)險(xiǎn)，沙塵的存在并聯(lián)合其他環(huán)境應(yīng)力會(huì)加速潛在故障的顯現(xiàn)。因而，在綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)后進(jìn)行溫濕度測試，進(jìn)一步激發(fā)其潛在缺陷存在必要性。

3.1.1 基本參數(shù)測試分析

沙塵對電子產(chǎn)品性能參數(shù)的危害，可能主要表現(xiàn)在絕緣性能、熱傳導(dǎo)性能以及噪音。若非沉積足夠量的沙塵，對電子產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)性能的影響相對較小，在實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證過程中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品本身的特點(diǎn)以及應(yīng)用環(huán)境，選擇是否需進(jìn)行溫升等熱傳導(dǎo)性能參數(shù)的表征。在本文綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)方案驗(yàn)證過程中，主要對樣品的絕緣性能和噪音進(jìn)行了表征[11]。

圖4（a）所示的為試驗(yàn)各階段樣品絕緣電阻的測試表征結(jié)果示意圖，結(jié)果顯示在綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)進(jìn)行階段，其絕緣電阻無明顯變化，這是由于干燥的沙塵一般是不良導(dǎo)體，不會(huì)引起絕緣性能的改變。沙塵試驗(yàn)后再經(jīng)過24 h的溫濕度測試后發(fā)現(xiàn)，樣品的絕緣電阻急劇下降，并且隨著溫濕度測試時(shí)間的延長絕緣電阻會(huì)隨之持續(xù)下降。這是因?yàn)闈穸鹊娜肭忠约吧硥m吸水性的影響，會(huì)在絕緣體表面形成微型電路，造成局域性通路，從而使絕緣性能降低，長時(shí)間處于這種狀態(tài)或防護(hù)措施不夠，使用時(shí)可能引發(fā)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[12]。

圖4（b）所示的為試驗(yàn)各階段樣品噪音的測試表征結(jié)果示意圖，結(jié)果表明隨著綜合沙塵應(yīng)力試驗(yàn)與溫濕度測試時(shí)間的延長，噪音分貝值呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。這是因?yàn)樯硥m的入侵使得活動(dòng)部件之間的摩擦力增大，會(huì)引發(fā)或加大噪音的產(chǎn)生。而隨著溫濕度測試的進(jìn)行，沙塵因水分子的存在相互聚集，使得粒子尺寸變化增大摩擦外，還由于材料的老化與潤滑劑作用下降也進(jìn)一步使得噪音系數(shù)值得增加。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品的本身特性與相關(guān)要求，對噪音參數(shù)設(shè)定一個(gè)上界限，實(shí)時(shí)監(jiān)測噪音的變化趨勢，為最終判定防護(hù)措施是否加強(qiáng)提供一定的依據(jù)。

圖4 絕緣電阻與噪音測試表征結(jié)果示意圖

3.1.2 基本結(jié)構(gòu)測試分析

沙塵除了對電子產(chǎn)品的電性能參數(shù)產(chǎn)生危害外，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)影響也是巨大的。圖5是驗(yàn)證產(chǎn)品上重要的活動(dòng)部件開關(guān)門鎖，在綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)門鎖在開啟時(shí)發(fā)現(xiàn)卡頓，通過拉力測試?yán)χ涤善鹗嫉?8 N上升至35 N。隨著溫濕度測試的進(jìn)行24 h后，門鎖出現(xiàn)完全卡死狀態(tài)。通過解剖分析發(fā)現(xiàn)，門鎖的活動(dòng)接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸表面已經(jīng)有沙塵入侵，表面潤滑劑也因沙塵與溫濕度的影響失去光澤，甚至因?yàn)檩^大阻力產(chǎn)生了明顯的毛刺，毛刺的存在和潤滑劑性能的降低是導(dǎo)致門鎖卡死的關(guān)鍵原因。產(chǎn)品在評(píng)價(jià)過程中出現(xiàn)卡澀等結(jié)構(gòu)性的異常，可以通過增加防護(hù)圈或增加潤滑劑的涂覆量進(jìn)行改善[13]。

圖5 活動(dòng)部件失效分析圖

沙塵與溫濕度共同作用下，會(huì)導(dǎo)致金屬腐蝕的引發(fā)和加速。圖6為驗(yàn)證產(chǎn)品裸露的金屬端子，在初始階段裸露的金屬端子表面明亮光滑如圖6（a）。經(jīng)過綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)后，端子表面附著有大量的沙塵，緊密接觸處已有輕微的腐蝕痕跡。再經(jīng)過溫濕度測試24 h后，發(fā)現(xiàn)裸露的端子已腐蝕嚴(yán)重。為了說明其腐蝕程度，圖6（d）是將同批次良好的裸露金屬端子置于標(biāo)準(zhǔn)鹽霧試驗(yàn)測試24 h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其腐蝕現(xiàn)象遠(yuǎn)比不上沙塵溫濕度引發(fā)的腐蝕現(xiàn)象。此異常現(xiàn)象進(jìn)一步說明了綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)測試周期結(jié)束后，進(jìn)行溫濕度測試的必要性。

圖6 裸露金屬端子外觀圖

3.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定

綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)測試的最終目的是依據(jù)評(píng)價(jià)分析結(jié)果，實(shí)施相應(yīng)得改善措施從而進(jìn)一步提升產(chǎn)品可靠性。為了節(jié)約改善成本與改善時(shí)間周期，可以對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定依據(jù)危害程度分為A類、B類、C類與D類四個(gè)不同等級(jí)，為了便于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定，可參照表2進(jìn)行。

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定表

4 總結(jié)

本文通過提出一種電子產(chǎn)品綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，詳細(xì)說明了試驗(yàn)的嚴(yán)酷度等級(jí)與選擇方法，同時(shí)還提供了可供參考的試驗(yàn)實(shí)施時(shí)的剖面設(shè)計(jì)，并就在實(shí)施時(shí)的相關(guān)注意事項(xiàng)進(jìn)行了注明，以幫助實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)的正確開展。最后，結(jié)合應(yīng)用驗(yàn)證案例分析，說明了綜合應(yīng)力沙塵試驗(yàn)可能激發(fā)的故障，深入討論了其失效機(jī)理與表征方法，并對驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類，為電子產(chǎn)品綜合沙塵應(yīng)力條件下的可靠性評(píng)價(jià)提供了指導(dǎo)。