微波組件篩選中防凝露與烘干問題的研究

摘要：分析了相對濕度、露點等因素對溫度循環篩選過程中凝露生成情況的影響，對已有的防凝露措施在溫度循環篩選中的適用性進行驗證，并對凝露產生后的烘干方法及其烘干效果進行了研究，提出了提高微波組件烘干效率的有效措施。結果表明，凝露產生于篩選環節的升、降溫過程中，降溫階段微波組件內部產生凝露，升溫階段微波組件外表面產生凝露。微波組件內部產生凝露后，密閉腔體內的水汽較難與外界形成交換，濕空氣無法及時排出，導致微波組件較難烘干。因此，當無法提高烘干溫度時，可通過增強微波組件內的空氣流動性來有效提升烘干效率，這為微波組件篩選防凝露及提高烘干效率提供了參考依據。

關鍵詞：微波組件；絕對濕度；凝露；烘干方法

中圖分類號：TN015；TN06 文獻標識碼：A

0 引言

微波組件是有源相控陣雷達（active phased array radar，APAR）系統中的核心部件之一，其質量直接決定了雷達系統的可靠性。為了確保微波組件在復雜應用場景下的可靠性，通常采用環境應力篩選（environmental stress screening，ESS）技術對其進行高效、精準的監測。ESS是指通過對產品施加規定的環境應力，以發現和暴露制造過程中的不良零件、元器件和工藝缺陷等早期故障的一種方法[1]。目前，ESS方法已成為產品研制生產中一項非常重要的工序。由于篩選過程中溫度呈現高低循環變化，且微波組件殼體、模塊及內部空氣的溫度變化存在滯后性，這使得微波組件內外表面出現濕空氣冷凝現象。因此，為兼顧篩選效果與周期控制，篩選時應盡量減少凝露產生，并同步提高烘干效率。

1 溫度循環篩選

溫度循環篩選是ESS的核心方法之一。溫度循環篩選的條件分為兩種：一種為通電篩選，即在試驗箱溫度達到電子產品的工作溫度時，將電應力施加到篩選產品上，通電篩選溫度曲線如圖1所示；另一種為不通電篩選，即篩選過程中只有溫度應力，而無其他應力施加于產品上，不通電篩選溫度曲線如圖2所示。在此過程中，溫度范圍、升降溫速率和溫度保持時間等參數都起到關鍵作用。

根據工程經驗，對于質量≤1 kg的微波組件，可將其高低溫保持時間設定為0.5 h；對于質量＞1 kg的微波組件，可將其高低溫保持時間設定為1 h或2 h；對于極少數質量特別大的微波組件，可將其高低溫保持時間設定為4 h或更長。由于微波組件具有一定的熱容，被篩微波組件的溫度會滯后于試驗箱設定溫度，根據GJB 1032A—2020《電子產品環境應力篩選方法》的規定，試驗箱的設定溫度與被篩微波組件的實際溫度之間允許的偏差≤10℃。

2 露點及凝露

凝露現象是日常生活中常見的物理現象，其本質是空氣中的水蒸氣在物體表面遇冷凝結成液態水的過程，其產生與空氣的濕度、溫度緊密相關。

2.1 濕度

濕度是指空氣中所含水汽量的多少，在溫度和體積相同的條件下，空氣中水汽含量越少，說明濕度越小，反之則越大。當空氣中水汽的蒸發量與凝結量達到平衡時，即達到水汽飽和狀態，此時對應的濕度稱為飽和濕度。表征濕度的物理量還有水汽壓、相對濕度等。

2.1.1 絕對濕度

絕對濕度是指單位容積空氣所含的水汽的質量，也稱作水汽密度，水汽密度ρ與水汽壓、溫度的關系如下：

ρ = 289。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，ρ為絕對濕度（水汽密度），e為水汽壓，T為熱力學溫度。

2.1.2 飽和濕度

飽和濕度是指在一定溫度下，單位容積空氣中所能容納水汽的最大值。飽和濕度隨溫度的變化而變化，因此，在大氣壓和體積相同、溫度不同的情況下，飽和濕度是不相同的。

2.1.3 相對濕度

相對濕度是指大氣中實際水汽壓e與相同溫度條件下的飽和水汽壓E的比值[2]，可通過式（2）進行計算：

U = ×100%。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中，U為相對濕度，e為水汽壓，E為飽和水

汽壓。

2.2 露點溫度

露點溫度是指空氣中的水汽在含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度。露點溫度無法直接計算得出，但是可以根據馬格納斯公式以及相對濕度公式進行轉換推導得到[3]。馬格納斯公式如下：

e = E0×10。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

將式（2）代入公式（3），計算可得：

Td = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中，E0為溫度為0 ℃時的飽和水汽壓，一般取610.78 Pa；a為計算系數，在水面上a=7.69，在冰面上a =9.50；b為計算系數，在水面上b=243.92，在冰面上b=265.50；Td為露點溫度；e為水汽壓。

環境溫度、相對濕度和露點溫度之間的關系如圖3所示。

2.3 凝露

2.3.1 微波組件溫度變化分析

微波組件在試驗箱升降溫過程中，其溫度隨著試驗箱溫度的變化而變化，但因為微波組件具有一定的熱容，其殼體及內部空氣的溫度變化滯后于試驗箱溫度變化。在試驗箱升溫過程中，三者溫度的關系為試驗箱內溫度＞殼體溫度＞電子組件內部空氣溫度，直至微波組件內外溫度達到平衡；在試驗箱降溫過程中，三者溫度的關系為試驗箱內溫度＜殼體溫度＜電子組件內部空氣溫度，直至微波組件內外溫度達到平衡。

2.3.2 凝露形成過程

（1）密封微波組件

微波組件在殼體密封后，其內部含水量會相對固定，此時殼體內部的絕對濕度ρ可通過式（1）和式（2）計算得出。

當微波組件組裝時的溫度為30℃，相對濕度為20%時，水的飽和蒸氣壓為2338.6 Pa，實際蒸氣壓為467.72 Pa（可換算為47.69 mmHg），水汽含量為45.49 g/m3。

當微波組件組裝時的溫度為-40℃時，水的飽和蒸氣壓為12.84 Pa（可換算為1.31 mmHg）；含水量為1.86 g/m3，-40℃水汽達到飽和時的含水量是30℃（相對濕度為20%）時含水量的1/24，是30℃（相對濕度為90%）時含水量的1/164。因此，在不同的相對濕度條件下，微波組件在低溫冷卻時產生的凝露量也不同。當微波組件封蓋時的相對濕度較小時，凝露現象不明顯，當微波組件封蓋時的相對濕度較高時，凝露現象較為明顯。

（2）非密封微波組件

微波組件由螺釘固定，雖然其蓋板上裝有屏蔽條、密封圈等具有一定密封作用的橡膠件，但在經歷高低溫循環時，仍存在內外氣體交換，微波組件內部的氣體也遵循氣體狀態方程[4]規律，計算公式如下：

PV = nRT。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式中，P為氣體壓力；V為氣體體積；n為物質的量；T為氣體溫度；R為摩爾氣體常數，一般取值8.315 Pa·m3/（mol·K）。

當微波組件腔體內部氣體溫度?T發生變化時，其氣壓也隨之發生變化[5]，氣壓變化值?P的計算公式如下：

?P = ?T。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

微波組件的溫度從-40℃上升至70℃，再從70℃下降至-40℃時，就完成了一個溫度循環。在此過程中，微波組件的內部腔體體積始終保持不變，根據氣體狀態方程可知，P1V1=n1RT1，P2V2=n2RT2。由于V1=V2，則可以推導出：

=。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （7）

式中，n1為當前溫度時的物質的量，n2為下一個溫度時的物質的量。

在溫度循環過程中，微波組件最終會達到內外氣壓平衡，因此，根據式（7）可以計算出升降溫階段微波組件內部水汽物質的量，當微波組件從-40℃升溫至70℃時，n2=0.7n1，當微波組件從70℃降溫至-40℃時，n3=1.5n2=1.5×0.7n1=1.05n1。在降溫階段，水汽中減少的部分會凝結成水珠附著于殼體內表面，同時，降溫過程中微波組件內部氣壓小于外部氣壓，導致外部潮濕水汽進入微波組件內部。一般情況下，微波組件的溫度篩選需要經歷10個以上的溫度循環，因此，隨著溫度循環次數的增加，其內部凝結的水珠也逐漸增加。

3 防凝露措施研究

在篩選過程中出現凝露的現象較為普遍，學者對篩選過程中的凝露問題進行了研究，并提出了相應的解決措施，主要包括降低生產環境的濕度、階梯式升降溫或降低升降溫速率和空氣置換法等。

3.1 提高密閉性，降低環境濕度

通過試驗發現，密閉腔體中的濕度越小，低溫凝露的現象越難發生，因此，在生產過程中降低生產環境的濕度能夠有效防止腔體內凝露的產生。

然而，微波組件中包含大量靜電敏感器件，環境濕度降低后極易產生靜電，進而影響產品質量。微波組件蓋板采用螺釘緊固并配合屏蔽橡膠條密封，如再增加密閉效果，則需要更改設計。此外，對于微波組件而言，提高密閉性會增加較多的成本，而降低環境濕度會造成靜電積累，而靜電帶來的危害遠大于凝露造成的危害，因此該方法不適用于微波組件。

3.2 階梯式升降溫或降低升降溫速率

根據圖3可知，露點溫度低于空氣溫度，那么只要控制試驗箱溫度，使試驗箱的溫度變化與微波組件殼體、內部空氣的溫度變化一致且處于露點溫度之上，則可避免凝露的產生。但是，微波組件的熱容較大，升降溫過程緩慢，會導致升降溫速率降低。根據GJB 1032A—2020《電子產品環境應力篩選方法》中的規定，篩選溫度變化率≥10 ℃/min，因此，當篩選過程對升降溫變化速率有較高要求時，采用階梯式升降溫或降低升降溫速率[6]的方法便會暴露出一定的弊端，甚至無法滿足環境應力篩選的相關要求。

3.3 空氣置換法

在降溫環節，向試驗箱中注入干燥空氣，以此降低試驗箱中的水汽含量，進而降低試驗箱的濕度。隨著試驗箱濕度下降，進入微波組件內空氣的露點溫度也隨之降低，從而達到減少凝露的目的。然而，干燥空氣發生器未對干燥空氣進行預處理（加熱或降溫），當干燥空氣被注入試驗箱后，會導致箱內溫度發生改變，進而間接對試驗箱的升降溫速率產生影響。因此，該方法不適用于對升降溫速率有較高要求的試驗。

以上方法對減少篩選過程中的凝露現象均有較好的效果，但也存在一定的局限性。對于升降溫速率要求較高的試驗或靜電敏感器件，這些方法的適用性較差，因此，需探索新的方案以提升篩選后的烘干效率。

4 烘干措施

冷凝水蒸發即達到烘干效果，溫度越高，蒸發效果越明顯；空氣流動性越快，蒸發效果越明顯。

（1）提高烘干溫度

微波組件內部一般含有鋁電解電容、固定電容硅膠、集成電路和阻容器件等，鋁電解電容不耐高溫，且集成電路等元器件也有最高存儲溫度，因此微波組件的烘干溫度一般為50℃。在不損壞微波組件性能的情況下，可以適當將烘干溫度提升至60～70℃。

（2）提高空氣流動性

氣流可以增強水汽的流動性與擴散作用，從而加快凝露的蒸發。通過設計專用篩選工裝或對微波組件的蓋板進行二次加工，如增加蓋板開孔、降低微波組件的氣密性，從而達到提高空氣流動性的效果。篩選工裝或二次加工的蓋板在首次安裝時不安裝密封橡膠條，以實現重復利用，待微波組件完成篩選流程后再安裝正式蓋板。

通過試驗對比，在上述的兩種方法中，提高烘干溫度的方法成本較低，但因元器件的最高烘干溫度受限，溫度變化對烘干時間影響甚微。提高空氣流動性的方法中設計篩選工裝或二次加工的蓋板會增加一定成本，但對批量產品而言，均攤成本后費用極低。另外，該方法難度較低，且蓋板可重復利用，可大幅縮短微波組件的烘干時間。

5 結語

本文對微波組件在溫度循環篩選過程中形成凝露的原因進行分析，并對已有的防凝露方法在微波組件溫度循環篩選中的適用性進行研究。針對無法杜絕或降低凝露現象的篩選過程，提出了兩種在篩選后提高烘干效率的方法，并通過篩選試驗驗證了提高空氣流動性在實際應用中的效果。該方法通過篩選工裝或蓋板二次加工，提高微波組件的氣密性，進而將飽和蒸汽擴散，顯著提高了烘干效率。

參考文獻

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[5] 王雪冬，孔令華，蔣慶磊. 電子組件溫度循環中的凝露問題研究[J]. 電子質量，2024（9）：40-45.

[6] 劉繼承. 電子產品低溫試驗中的防凝露技術[J]. 環境技術，2018，36（6）：7-10，15.